POLITECNICO DI TORINO

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

TESI DI LAUREA

Applicazione dell’iniezione diretta di benzina in un

motore a 2 tempi di tipo innovativo

Relatori

Prof. Ing. Patrizio Nuccio

Prof. Ing. Mario Rocco Marzano

Luglio 2003

Candidato

Valerio Amadio

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SOMMARIO

INTRODUZIONE 4 IL MOTORE A DUE TEMPI 4

CAPITOLO I 12 STATO DELL’ARTE DEL MOTORE A DUE TEMPI AD ACCENSIONE COMANDATA 12

I.1: Aprilia Ditech 12 I.2: Peugeot TSDI 39 I.3: Piaggio FAST 42 I.4: Bimota 500 V2 45 I.5: Orbital 48 I.6: Toyota S2 50 I.7: Motore Lotus a carica stratificata 53

CAPITOLO II 56

ESPERIENZE PRECEDENTI SU MOTORI A DUE TEMPI PRESSO IL DIPARTIMENTO DI ENERGETICA DEL POLITECNICO DI TORINO 56

II.1: Propulsore Cagiva T4E 350 56 II.2: Propulsore Benelli 1FB 1226 62 II.3: Propulsore Husqvarna WR250 74

CAPITOLO III 87 TRASFORMAZIONE DEL MOTORE PLURICILINDRICO QUATTRO TEMPI IN MONOCILINDRO DUE TEMPI 87

III.1: Scelta del motore di partenza 88 III.2: Lavaggio unidirezionale e realizzazione delle luci 89 III.3: Stantuffo 95 III.4: Equilibramento 96 III.5: Apparato di distribuzione 97 III.6: Apparato di accensione 109 III.7: Apparati di alimentazione e scarico 115 III.8: Circuito di raffreddamento 123

CAPITOLO IV 131

APPLICAZIONE DELL’INIEZIONE DIRETTA DEL COMBUSTIBILE 131 IV.1: Schema dell’impianto 133 IV.2: Serbatoio, pompa di bassa pressione, filtro 134 IV.3: Pompa ad alta pressione 136 IV.4: Regolatore di pressione Siemens 137 IV.5: Raffreddamento della benzina 139 IV.6: Iniettore 140 IV.7: Prove sperimentali dell’iniettore 143 IV.8: Centralina di controllo dei parametri di iniezione 147 IV.9: Centralina di potenza Siemens 151

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CAPITOLO V 152 ALLESTIMENTO DEL BANCO P ROVA 152

V.1: Fissaggio al banco prova e freno 153 V.2: Encoder ottico 156 V.2: Pulpito di comando 158 V.3: Torre dei consumi 162 V.4: Banco delle centraline di accensione, di gestione della pressione della benzina ed oscilloscopio 164 V.6: Analisi dei gas di scarico 167

CAPITOLO VI 168 PROVE SPERIMENTALI COL PROTOTIPO 168

VI.1: Posizionamanto marker 168 VI.2: Visualizzazione parametri elettronici significativi 171 VI.3: Condizioni reali di funzionamento e visualizzazione problemi 175 VI.4: Primi rilievi sperimentali 177 VI.5: Confronto con le precedenti esperienze su motori a due tempi 180

CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI 182 BIBLIOGRAFIA 184

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INTRODUZIONE

Il motore a due tempi

Il motore a 2 tempi ad accensione comandata ha conosciuto nel corso della sua

storia fasi di alterna fortuna: dal primo prototipo di inizio ‘900, per mezzo secolo, sono

stati profusi notevoli sforzi per sperimentare varie soluzioni tecnico-costruttive ; in

seguito i ricercatori hanno esaurito la loro creatività relegando a particolari

applicazioni, quali il mondo delle corse, lo sviluppo del motore a 2 tempi.

Nelle competizioni questo tipo di motore si è giovato dell’elevata potenza

specifica (nell’ordine dei 400 CV/litro), dell’estrema compattezza e leggerezza, a tal

punto che la sua fortuna appare in declino solo oggi.

L’impiego del motore a 2 tempi in altri campi è sempre stato limitato: moto di

piccola cilindrata, attrezzi manuali da lavoro come motoseghe e decespugliatori, motori

marini fuoribordo insomma tutti quei campi dove l’elevata potenza specifica messa a

disposizione e la semplicità costruttiva rappresentano caratteristiche irrinunciabili.

Ridotti costi di produzione sono una diretta conseguenza della semplicità costruttiva del

2 tempi ad accensione comandata, tuttavia questo vantaggio va attentamente rapportato

ai costi di gestione, dove l’elevato consumo specifico rispetto ad un motore 4 tempi

vanifica rapidamente le economie iniziali.

Vero tallone d’Achille del motore a 2 tempi tradizionale sono senza dubbio

alcuno le emissioni inquinanti. In questo settore si è giunt i sino alla fine degli anni 70

mantenendo tutti i difetti che lo avevano contraddistinto in passato e che ne avevano

impedito l’impiego in campo automobilistico: primo fra tutti l’elevato livello di

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idrocarburi incombusti nei gas di scarico e di conseguenza l’elevato consumo specifico

di benzina rispetto al motore a 4 tempi.

Negli ultimi 30 anni le normative sulle emissioni inquinant i dei motori per

autotrazione sono divenute sempre più severe e rischiano di mettere al bando il motore

a 2 tempi ad accensione comandata. Oggi la ricerca sul 2 tempi ha come intento

comune di abbattere le emissioni inquinanti. Questo risultato fondamentale pare

attualmente a portata di mano dal momento che non mancano le conoscenze teoriche e

sperimentali relative ai complessi fenomeni gas-dinamici che hanno luogo all’interno

del cilindro di un motore a 2 tempi ed il livello di tecnologia disponibile è ormai

elevatissimo. L’applicazione generalizzata dell’iniezione elettronica sulle autovetture

ha portato ad una caduta dei prezzi dei componenti di questi sistemi che

opportunamente modificati e adattati possono essere sfruttati sul motore a 2 tempi

mantenendo così i costi di produzione e sviluppo ridotti.

La ricerca sull’affinamento del motore a 2 tempi è dettata dal fatto che sotto

certi aspetti questo motore è migliore del 4 tempi; è lecito credere e sperare in un suo

impiego futuro nel campo motoristico della trazione oggi monopolio del 4 tempi.

A vantaggio del motore a 2 tempi ad accensione comandata gioca la presenza di

una fase utile ogni due corse dello stantuffo, mentre nel 4 tempi si ha una fase utile

ogni quattro corse dello stantuffo. Al limite quindi un motore a 2 tempi dovrebbe essere

in grado di produrre una potenza doppia rispetto ad un motore a 4 tempi, a parità di

cilindrata, di velocità di rotazione e di pme; purtroppo nella realtà il minor valore del

coefficiente di riempimento λv fa sì che il vantaggio sia inferiore a quello teoricamente

conseguibile. La pme del motore a 2 tempi ad accensione comandata è inferiore a

quella del 4 tempi, ma si può comunque affermare che il motore a 2 tempi presenta una

potenza specifica maggiore del 4 tempi. Quindi, a parità di potenza erogata, un motore

a 2 tempi ha una cilindrata minore, pertanto peso e dimensioni risultano più contenuti.

Questo aspetto è particolarmente apprezzato vista la necessità di realizzare veicoli

sempre più leggeri per contenere i consumi.

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Figura intro.1 Confronto tra motori 2T e 4T in termini di potenza e coppia unitaria

Le luci di lavaggio e quelle di scarico sono, nella maggior parte delle

realizzazioni, ricavate nella canna in modo che il moto del pistone determini l’inizio e

la fine della comunicazione tra il cilindro e i condotti di scarico; in questo modo si evita

il ricorso a complessi meccanismi per il rinvio del moto dall’albero motore agli alberi a

camme preposti al comando di apertura e chiusura delle valvole; inoltre non si corrono

i rischi di “sfarfallamento” ad elevata velocità di rotazione, con apertura residua delle

valvole in momenti inopportuni, o di variazione della fasatura a causa del modificarsi

dei giochi durante il funzionamento.

La semplicità costruttiva si traduce in bassi costi di produzione e di

manutenzione inoltre il motore a 2 tempi, rispetto al 4 tempi, ha minori perdite per

attrito; dal punto di vista del rendimento organico è migliore nonostante la presenza

della pompa di lavaggio. Il vantaggio del 2 tempi sul 4 tempi cresce ai carichi parziali.

Questo aspetto rende il 2 tempi particolarmente interessante per l’impiego

automobilistico, dal momento che il motore di un veicolo viene usato sovente ai carichi

parziali.

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Figure intro.2-3 Confronto perdite nei 2T e 4T

I livelli di emissioni di CO ed NOx sono generalmente inferiori a quelli di un 4

tempi. La concentrazione di CO nei gas di scarico dipende essenzialmente dalla

dosatura: nel motore a 2 tempi l’aria che esce allo scarico durante il lavaggio consente

di avere allo scarico una maggiore concentrazione di O2 che sposta l’equilibrio chimico

verso la formazione di CO2. Per quanto concerne gli NOx la loro formazione si ha solo

ad elevate temperature (circa 2000 K) e per tempi di permanenza sufficientemente

lunghi in tali condizioni. Sotto questo aspetto il motore a 2 tempi è migliore del 4 tempi

visto che la permanenza di gas combusti nel cilindro (dovuta all’imperfetto lavaggio)

agisce nella direzione di abbassare la temperatura massima del ciclo ed anche le

prestazioni. Nel 4 tempi, al fine di abbassare il tenore di NOx, allo scarico, si usa un

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sistema detto EGR che consente di ricircolare all’aspirazione del motore una frazione

di gas combusti: essi sono chimicamente inerti e non partecipano alla combustione,

pertanto la temperatura massima diminuisce. In pratica il sistema EGR del 4 tempi

riproduce il fenomeno che nel 2 tempi avviene spontaneamente.

A fronte di questi vantaggi il motore a 2 tempi ad accensione comandata

presenta inevitabilmente dei difetti, ai quali la moderna ricerca sta cercando di

rimediare.

La tradizionale realizzazione del 2 tempi a carter-pompa, lavaggio a correnti

ripiegate con luci di scarico, immissione e lavaggio controllate dal pistone, presenta

elevati livelli di idrocarburi incombusti HC allo scarico. La contemporaneità delle fasi

di scarico e di lavaggio rende infatti possibile il cortocircuito della miscela aria-

combustibile attraverso la luce di scarico. Anche l’adozione di un sistema di scarico

opportunamente studiato in modo da creare un’onda di pressione capace di mantenere

nel cilindro la carica fresca, non è una soluzione definitiva in quanto risulta efficace

soltanto al regime per il quale il condotto di scarico è stato “accordato” mentre è

inefficace durante tutto il restante campo di utilizzo. Se si considera che la stessa onda

di pressione viene anche sfruttata per aumentare la pme del 2 tempi, appare chiaro che

il regime al quale il sistema di scarico è accordato è spostato verso l’alto per

massimizzare la potenza erogata. Pertanto, nell’utilizzo ai carichi parziali, il motore a 2

tempi dotato di scarico “accordato” presenta livelli di emissioni inaccettabili.

Figura intro.4 Origine delle emissioni di HC nei motori 2T

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Particolarità di questo genere di motore è l’impossibilità di adottare un sistema

di lubrificazione forzata che mandi una grande quantità di olio agli accoppiamenti di

parti in moto relativo, in quanto una parte troppo grande di esso verrebbe

inevitabilmente trascinata nel cilindro dalla carica compressa nel carter, contribuendo

ad aggravare le emissioni di idrocarburi incombusti HC e andando a provocare

l’imbrattamento della candela e la formazione di depositi carboniosi sulla testa, sullo

stantuffo, sulle luci e nella marmitta. Si ricorre pertanto alla lubrificazione ad olio

perso; l’olio viene aggiunto in percentuali variabili secondo diverse strategie quali tipo

di motore, velocità angolare, apertura dell’organo di regolazione direttamente alla

miscela di aria e combustibile.

Un’altra importante causa di imperfezione di funzionamento è da ricercarsi

nella simmetria del diagramma della distribuzione, dovuta al fatto che le luci di

lavaggio e di scarico sono entrambe scoperte dallo stantuffo. Se infatti si realizzano le

luci di scarico più alte di quelle di lavaggio, così da avere una prima fase di scarico

spontaneo che permette di diminuire rapidamente la pressione nel cilindro, alla fase di

lavaggio vero e proprio ne segue una durante la quale, essendo già chiuse le luci di

lavaggio ma ancora aperte quelle di scarico, parte della carica introdotta fuoriesce

direttamente dal cilindro, sospinta dal pistone in risalita senza essere sfruttata nella

combustione. Questo fenomeno si fa sentire soprattutto sulle emissioni di idrocarburi

incombusti HC.

La ricerca sul motore a 2 tempi ad accensione comandata degli ultimi anni mira

al contenimento degli inquinanti senza rinunciare ai pregi visti. In realtà la semplicità

costruttiva del 2 tempi spesso non può essere mantenuta, ma è necessaria una certa

complicazione se si vuole rendere meno inquinante questo motore. Inizialmente i

ricercatori si sono mossi nella direzione dell’ottimizzazione della fase di lavaggio

tuttavia un’importante miglioria si può conseguire ricorrendo all’iniezione diretta del

combustibile nella camera di combustione, sia essa ad alta o a bassa pressione, o ancora

assistita da aria compressa a bassa pressione per favorire la polverizzazione del

combustibile. In questo modo è possibile effettuare il lavaggio con sola aria

permettendo quindi di raggiungere, grazie ad un’apposita pompa, valori del coefficiente

di lavaggio superiori all’unità, al solo prezzo di un maggiore lavoro di compressione

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dell’aria. Iniettando poi il combustibile solo dopo la chiusura delle luci di scarico si

arriverebbe ad annullare la frazione del combustibile perduta allo scarico;

sfortunatamente questa operazione non sempre può avvenire agevolmente, specie agli

alti regimi ed agli alti carichi, ove il tempo è insufficiente per un’adeguata

vaporizzazione del combustibile stesso.

Non facendo più transitare l’aria di lavaggio attraverso il carter si può

provvedere alla lubrificazione degli accoppiamenti con un apparato apposito, come nei

motori a 4 tempi, riducendo drasticamente il consumo d’olio e le conseguenti emissioni

inquinanti. Inoltre la gestione elettronica del sistema permetterebbe d’introdurre nel

cilindro ad ogni ciclo la quantità di combustibile ottimale in relazione alle condizioni di

carico e di velocità di rotazione. Ai bassi carichi l’iniezione diretta renderebbe poi

possibile la stratificazione della carica, ovvero la realizzazione di una miscela

sostanzialmente ricca in prossimità della candela e povera in zone più lontane da essa,

garantendo in tal modo stabilità di funzionamento anche con una dosatura globalmente

piuttosto povera.

Ne risulterebbe così un motore senza dubbio più complesso e perciò più

costoso, ma in grado di assicurare quasi le medesime pressioni medie effettive pme di

un analogo 4 tempi con però più bassi consumi di combustibile e più alte potenze a

parità di velocità di rotazione. Sarebbe quindi una motorizzazione interessante per

applicazioni diverse da quelle tradizionalmente di sua competenza, quali ad esempio il

campo automobilistico dove il motore a due tempi è escluso da tempo.

Presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino è in avanzata

fase di sviluppo un progetto di ricerca volto alla realizzazione di un prototipo

innovativo di motore a 2 tempi.

Lo schema costruttivo generale di tale prototipo prevede il lavaggio a correnti

unidirezionali attraverso luci poste nella canna del cilindro effettuato con sola aria e

realizzato con un compressore esterno, l’iniezione diretta del carburante e lo scarico dei

gas combusti attraverso valvole a fungo comandate poste sulla testata. Per semplificare

la realizzazione e ridurre i costi lo schema proposto prevede l’utilizzo di un

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tradizionale motore a 4 tempi aspirato, quattro cilindri in linea, 16 valvole,

opportunamente modificato. Gli studenti che mi hanno preceduto hanno realizzato

buona parte degli adattamenti e installazioni per approntare il propulsore.

L’applicazione dell’apparato di iniezione diretta al prototipo a 2 tempi in studio

sarà l’oggetto della presente trattazione.

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CAPITOLO I

Stato dell’arte del motore a due tempi ad accensione comandata

L’entrata in vigore delle sempre più restrittive leggi sulle emissioni inquinanti

dei veicoli pare condannare il motore a due tempi ad accensione comandata nella sua

più semplice e tradizionale esecuzione.

La tecnologia oggi disponibile fortunatamente permette la realizzazione di

motori a due tempi ad accensione comandata in grado di inquinare come, se non meno,

dei quattro tempi. Resta il problema della convenienza economica; infatti le varie

soluzioni per ridurre le emissioni inquinanti comportano complicazioni costruttive che

fanno inevitabilmente lievitare i costi.

Di seguito nel capitolo verranno analizzati alcuni esempi di motori a due tempi

innovativi, alcuni regolarmente in produzione, altri rimasti allo stadio di prototipo.

Tutti hanno un comune denominatore: l’iniezione diretta di benzina.

I.1: Aprilia Ditech

La tecnologia Aprilia Ditech [14] [18] consiste in un sistema di iniezione diretta

di benzina assistita da aria compressa.

Per questo progetto sono state coinvolte importanti realtà industriali

internazionali quali la ORBITAL ENGINE COMPANY, la SIEMENS AUTOMOTIVE

e la SYNERJECT LLC.

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Figura I.1 Motore Ditech Aprilia raffreddato a liquido per scooter SR

Attualmente sono regolarmente in produzione due versioni di motore 50 cm3,

uno raffreddato ad aria l’altro a liquido, montati su due scooter di successo dell’azienda

veneta. E’ però stata testata anche un’applicazione sul bicilindrico 250 cm3 di origine

Suzuki montato sul modello stradale sportivo RS250. Lo schema costruttivo del

sistema è analogo per tutte le versioni, tuttavia variano profondamente alcuni dettagli a

seconda dell’applicazione.

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Figura I.2 Schema a blocchi del sistema Ditech

L’ultima evoluzione Ditech: il propulsore raffreddato ad aria. Analisi e confronto con la versione raffreddata a liquido

La versione raffreddata ad aria del motore Ditech, installata sullo scooter

Scarabeo, rappresenta l’ultima evoluzione di questa tecnologia.

Il motore due tempi è un monocilindrico orizzontale raffreddato ad aria forzata

ed alimentato con un sistema di iniezione elettronica diretta progettato dalla Orbital.

L’alesaggio e la corsa sono pari a 41 mm per 37.4 mm ed il rapporto di compressione è

di 10.5:1. L’aspirazione dell’aria e dell’olio nel carter motore avviene attraverso un

pacco lamellare. Il corpo farfallato ha un diffusore di 18 mm ed è dotato di un

potenziometro per rilevare l’angolo di apertura della farfa lla acceleratore.

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Figure I.3-4 Corpo farfallato e sensore di posizione

L’accensione è induttiva, l’avviamento è elettrico e l’ alternatore a magneti

permanenti per la ricarica della batteria è in grado di erogare 140 W. I carichi elettrici

dello scooter sono alimentati con una tensione regolata di 12 V circa. Il Ditech

raffreddato ad aria ha subito notevoli modifiche rispetto alla precedente versione

raffreddata a liquido ed utilizzata sullo scooter SR tuttora in produzione. Una parte

della camera di combustione è ricavata sul cielo dello stantuffo tramite un piccolo

pozzetto.

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Figura I.5 Pistone del motore Ditech raffreddato ad aria con pozzetto

Sulla versione raffreddata a liquido il pistone era tradizionale ma decisamente

particolare era la forma della camera di combustione.

Figura I.6 Pistone tradizionale Ditech con raffreddamento a liquido

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Figure I.7-8-9 Dettagli della camera di combustione del Ditech raffreddato a liquido

Tale accorgimento permette di stratificare meglio la miscela, concentrando la

parte più ricca nel centro della camera di combustione stessa. L’iniettore genera uno

spray più stretto rispetto a quello che alimentava il motore raffreddato a liquido. Inoltre,

poiché nel propulsore raffreddato ad aria le temperature sono meno costanti, i tecnici

hanno deciso di utilizzare un cilindro in alluminio che, oltre ad essere più leggero,

consente anche un miglior smaltimento del calore. Vengono così evitate le

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incrostazioni che abitualmente, nei motori convenzionali, si formano sulle luci di

scarico. Queste ultime, nel caso del Ditech raffreddato ad aria, sono state

opportunamente modificate nella forma. Per lo stesso motivo è stato riprogettato

completamente il pistone, che permette un migliore lavaggio della luce di scarico

stessa, tramite dei fori posti sul suo fianco. Le fasce elastiche hanno invece una

maggiore superficie di contatto col cilindro, per poter smaltire meglio il calore.

Naturalmente anche tutto il flusso dell’aria forzata, necessaria al raffreddamento

dell’unità motrice, è stato appositamente progettato per garantire un perfetto controllo

delle temperature.

Il sistema di iniezione elettronica è praticamente identico a quello utilizzato sul

Ditech raffreddato a liquido, ma importanti modifiche sono state introdotte

nell’iniettore che, secondo la filosofia progettuale di Orbital, genera lo spray con

l’ausilio di un getto d’aria.

Figura I.10 A sinistra conformazione di uno spray ottenuto con getto d’aria, a destra

la forma di uno spray ottenuto con solo carburante ad alta pressione in applicazioni

con iniezione diretta

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Figura I.11 Dettaglio del cono dello spray generato con assistenza del getto d’aria,

decisamente più aperto rispetto allo spray generato con solo carburante ad alta

pressione

L’utilizzo di iniezione assistita ad aria, accoppiata ad una particolare forma

della camera di combustione come quella del Ditech raffreddato ad aria, permette di

avere un elevato grado di stratificazione della carica fresca ed iniezioni non

esageratamente anticipate rispetto al PMS, pur garantendo sempre una perfetta

combustione in tutte le condizioni di funzionamento del propulsore. Il sistema Orbital

assicura un’ottima atomizzazione delle particelle di combustibile presenti nello spray

(meno di 8 micron SMD = Sauter Mean Diameter), una perfetta stratificazione senza

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dover anticipare notevolmente l’iniezione, un’ottima alimentazione di tipo omogeneo ai

carichi elevati, con un passaggio graduale dal funzionamento in condizione stratificata

(medi e bassi carichi).

Figura I.12 Distribuzione della dimensione delle particelle presenti in uno spray

ottenuto con getto d’aria e solo con benzina

La possibilità di non anticipare eccessivamente l’iniezione rispetto al PMS

permette di ottenere una perfetta stratificazione nell’istante in cui scocca la scintilla

sulla candela, garantendo in questo modo una combustione sicura. Viene evitata infatti

la dispersione della carica nel cilindro.

Grande pregio della soluzione Ditech in tutte le sue evoluzioni è di richiedere

pesanti interventi di riprogettazione ed adattamento solo sulla testa del motore. Gran

parte del sistema di iniezione è infatti alloggiata in questa zona del motore. Nelle figure

seguenti si possono osservare i vari componenti del gruppo di iniezione.

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Figura I.13 Complessivo testa del Ditech raffreddato a liquido

Figura I.14 Dettaglio della candela, del regolatore di pressione, dei raccordi di

andata e ritorno benzina e del tandem di iniettori

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Figura I.15 Complessivo testa vista dal lato camera di combustione

Figura I.16 Sezione della testa, sono visibili i due iniettori, il regolatore di pressione,

raccordi di aria e benzina, termostato, candela e pistone

Sul gruppo stesso sono presenti gli attacchi dell’arrivo e del ritorno del

carburante e quello di mandata dell’aria necessaria per la formazione dello spray. Sulla

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testa del motore è inoltre inserito il sensore di temperatura dei liquido di

raffreddamento.

Figura I.17 Primo piano del gruppo iniettori del Ditech raffreddato ad aria

L’attuatore dell’iniezione vero e proprio è realizzato con due elementi. Il primo

è un normale iniettore benzina utilizzato negli impianti convenzionali di alimentazione

indiretta del tipo multipoint. Questo iniettore spruzza il combustibile in quantità nota,

in una camera al di sopra di quello che realizza l’iniezione diretta nel cilindro. Questo

secondo iniettore è stato decisamente modificato tra la versione raffreddata a liquido e

quella raffreddata ad aria. In questa ultima applicazione deve infatti garantire un cono

di iniezione più ridotto.

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Figure I.18-19-20 Nelle tre immagini: a sinistra l’iniettore montato sul motore

raffreddato ad aria, a destra quello montato sul motore raffreddato a liquido

Un regolatore di pressione del carburante, in grado di agire anche in funzione

della pressione presente nella camera al di sopra dell’attuatore affacciato nel cilindro,

mantiene il salto di pressione sul primo iniettore di benzina, ad un valore costante di 2.5

bar. Una pompa elettrica del carburante assicura una mandata di circa 7 bar.

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Il sistema Orbital offre la fondamentale possibilità di poter erogare la corretta

quantità di benzina, in un tempo svincolato da quello necessario per effettuare

l’iniezione diretta, cosa che non accade nelle alimentazioni benzina dirette che non

utilizzano il getto d’aria supplementare.

Figura I.21 Andamento temporale dell’iniezione di carburante e di quella diretta nel

cilindro

Dopo aver miscelato il carburante con l’aria in pressione, ottenuta grazie ad una

pompa mossa dal manovellismo del motore e lubrificata con l’olio trasportato dall’aria

nel carter del motore stesso, il secondo iniettore che realizza l’alimentazione diretta,

genera lo spray aria-benzina in camera di combustione con una tempistica ed un

anticipo stabilito dal controllore elettronico, in funzione delle condizioni di lavoro del

propulsore.

L’installazione del compressore per l’aria rappresenta la seconda ed ultima

modifica, questa volta di lieve entità, richiesta rispetto ad un motore tradizionale dal

sistema Ditech.

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Figura I.22 Il compressore dell’aria

Figure I.23-24 Dettaglio del sistema ad eccentrico per l’azionamento del compressore

27

Figura I.25 Sezione del compressore installato sul motore

Figura I.26 La compattezza del compressore

La percentuale di aria miscelata con la benzina, nella camera che separa i due

iniettori, è molto bassa rispetto alla quantità aspirata attraverso la luce del cilindro

(meno del 3%).

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Figura I.27 Quantità di aria presente nello spray in funzione del carico motore

Al minimo regime di rotazione, il motore è alimentato con una carica fresca

stratificata con rapporto aria benzina di 45:1 Il funzionamento a carichi parziali è

ancora stratificato con un rapporto aria benzina di circa 25:1. Il pieno carico avviene in

funzionamento omogeneo e non più stratificato, ma anche in questa condizione la

miscela rimane magra, con un rapporto aria benzina di 18:1.

Poiché l’inquinamento del Ditech raffreddato ad aria è estremamente contenuto,

risulta difficoltoso misurare con un apposito analizzatore i valori di CO ed HC. Per

poter verificare la carburazione quando il propulsore è testato su un banco prova

potenza si applica allo scarico una sonda lambda per rilevare la percentuale di ossigeno

presente nei gas in transito nella marmitta che non ha catalizzatore.

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Figura I.28 Nell’immagine del motore raffreddato ad aria installato al banco è

possibile vedere la sonda lambda

Figura I.29 Dettaglio della sonda lambda installata al termine della linea di scarico

Poiché le emissioni di olio sono praticamente assenti, non esiste il rischio di

imbrattare la sonda stessa. La candela in camera di combustione è posizionata in modo

da lambire la periferia dello spray, compatibilmente anche con il volume della camera

di combustione stessa. La forma dello spray è fortemente legata alla geometria

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dell’ugello dell’iniettore che realizza l’alimentazione diretta e alla forma e dimensione

del volume di contenimento presente sul cielo dei pistone.

Per poter studiare la dinamica dello spray anche durante il movimento del

pistone stesso, vengono utilizzati particolari software basati sul Computational Fluid

Dinamics (CFD).

Figura I.30 Studio tramite software CFD della forma dello spray di iniezione in

presenza di pozzetto sul cielo del pistone

Queste analisi sono di fondamentale importanza per limitare la parte della carica

che si disperde e non rimane concentrata nel centro della camera di combustione. Essa,

infatti, non riesce a sostenere il processo di combustione ed è sicura fonte di HC

incombusti. Grazie dunque all’attento studio di questi fattori, nel Ditech Aprilia

raffreddato ad aria è stato possibile ottenere un elevato contenimento delle emissioni

nocive, ed una perfetta regola rità di funzionamento dovuta anche ad una combustione

stabile. E’ necessario sottolineare che lo spray deve possedere precise caratteristiche.

L’atomizzazione del carburante deve essere realizzata con particelle di dimensioni

contenute, in modo da garantire un limitato tempo di evaporazione e la formazione di

una perfetta miscela con l’aria presente nel cilindro. La sua penetrazione nel cilindro

deve essere controllata, per evitare la dispersione della carica nelle parti periferiche

della camera di combustione ai medi e bassi carichi e per garantire anche una

miscelazione omogenea ai carichi elevati. L’iniezione diretta assistita con aria è in

grado di generare uno spray che ha le caratteristiche minime appena elencate, anche se

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il salto di pressione sull’iniettore che realizza l’alimentazione diretta è basso

(condizione che si verifica quando l’iniezione viene effettuata senza anticipi troppo

elevati, per garantire una dispersione minima della carica nella camera di combustione).

Se il propulsore funziona a pieno carico, l’anticipo dell’iniezione diretta può essere

aumentato, ottenendo una più elevata penetrazione dello spray ed una miscela con

ottime caratteristiche di omogeneità.

E’ interessante analizzare anche la logica di gestione del sistema elettronico che

controlla il Ditech.

Figura I.31 Centralina elettronica di controllo del Ditech

32

Figura I.32 Sensore giri e fase

La centralina è in grado di agire sul ritardo di attivazione dell’iniettore benzina

rispetto all’istante di ingresso dell’aria nel pozzetto che separa i due iniettori. Dunque

l’iniezione benzina è fasata rispetto alla carica dell’aria compressa, dovuta alla pompa

meccanica mossa dal manovellismo del motore. Occorre però notare che la fasatura

dell’iniezione carburante non gioca un ruolo fondamentale nel processo di

alimentazione, come invece accade per la fasatura di quella diretta nel cilindro. Per

questo motivo la prima rimane praticamente sempre costante.

E’ inoltre possibile agire anche sulla quantità di benzina immessa ne l pozzetto,

controllando il tempo di apertura dell’iniettore carburante. La mappa dei tempi di

iniezione ha come coordinate i giri motore e l’angolo apertura farfalla e, in sede di

messa a punto, i set point di questa mappatura, come quelli di tutte le alt re presenti nel

software di gestione, possono essere agevolmente variati. Per determinare la pressione

d’aria presente nel pozzetto che separa l’uscita dell’iniettore carburante, dall’ingresso

di quello che realizza l’alimentazione diretta, viene gestito l’intervallo di immissione

dell’aria e l’istante in cui essa deve terminare. Conseguentemente è noto l’istante

d’inizio di immissione dell’aria stessa. Queste due grandezze, cioè la durata di

immissione d’aria nel pozzetto e l’istante in cui essa termina, sono determinate tramite

due mappature che hanno come coordinate i giri motore e la quantità di benzina

iniettata. Si noti, infatti, che il software di gestione e messa a punto del controllore

utilizza la quantità di benzina iniettata (mg per ciclo) e non i classici tempi di iniezione.

L’applicazione di questo parametro permette di definire altre grandezze, come ad

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esempio gli anticipi dell’accensione, indipendentemente dalle caratteristiche di

funzionamento dell’iniettore benzina. Il software è poi in grado di tradurre la quantità

di combustibile (mappata secondo i giri motore e l’angolo apertura farfalla) in un

corrispondente tempo di iniezione, in funzione dell’attuatore utilizzato sull’impianto.

Tramite la regolazione della quantità di benzina utilizzata ad ogni ciclo, la

centralina è in grado anche di controllare, entro un preciso intervallo, il regime di

minimo del motore sostenendolo anche immediatamente dopo gli avviamenti a freddo.

Si evita così l’adozione di uno starter manuale.

Durante la fase di crank l’iniettore, che con motore in funzione realizza

l’alimentazione diretta, viene tenuto aperto nella fase di compressione per permettere la

pressurizzazione veloce della camera che separa i due iniettori (pump-up). In questa

fase, infatti, la pompa dell’aria mossa dal manovellismo non è in grado di garantire la

corretta portata. La centralina elettronica stabilisce anche l’attivazione della pompa

dell’olio e della benzina. Naturalmente la gestione elettronica è in grado di controllare

sempre tutti gli attuatori e i trasduttori del sistema di iniezione-accensione,

memorizzando eventuali malfunzionamenti, analizzabili tramite opportuno metodo di

diagnosi e verifica (l’analisi di questo apparato è riportata nel paragrafo I.2 Peugeot

TSDI).

Obiettivi raggiunti

Gli obiettivi raggiunti con l’uso di queste unità propulsive rispetto ad una

alimentata col classico carburatore sono notevoli. Infatti il consumo della benzina è

ridotto fino al 40% se riferito al ciclo di prova ECE47, mentre sale oltre il 50% se si

percorrono tratti a velocità costante. Il Ditech permette dunque di percorrere anche 50

km con un litro di carburante, contro i classici 29 ottenuti con i migliori propulsori di

tipo tradizionale. I motori quattro tempi, la seconda valida alternativa al contenimento

dell’inquinamento, hanno un’architettura costruttiva decisamente più complessa e

prestazioni inferiori. Essi, inoltre, possono garantire una riduzione dei consumi non

superiore al 30% sempre rispetto al classico due tempi alimentato con carburatore.

34

Figura I.33 Comparazione consumi

Così come viene consumata meno benzina dal Ditech, anche l’uso dell’olio è

estremamente contenuto. Questo fatto garantisce una frequenza meno elevata per i

rabbocchi del lubrificante ed una maggiore economicità di esercizio. Sempre in tema di

inquinamento occorre evidenziare che questa evoluzione del propulsore dell’Aprilia

supera con grande margine le norme sull’inquinamento senza ricorrere ad un

catalizzatore.

Figura I.34 Comparazione emissioni

35

Figura I.35 Confronto tra varie versioni del motore raffreddato a liquido

Figura I.36 Comparazione tra varie tipologie di motori da scooter

36

Figura I.37 Obiettivi da raggiungere secondo le diverse norme Euro sull’inquinamento

La soluzione Ditech di Aprilia è dunque una tecnologia sofisticata, resa ancora

più interessante dall’evidente contenimento dei costi che i tecnici hanno sempre dovuto

tenere in considerazione per questo progetto. A questo scopo il sistema di iniezione ed

accensione elettronico del motore Aprilia utilizza molta componentistica già montata

nel settore automobilistico. Questo fatto è anche garanzia di assoluta affidabilità di tutto

l’impianto.

Applicazione del Ditech sul bicilindrico 250 cm3 di origine Suzuki

Aprilia ha proposto un’iniezione diretta anche per i motori a due tempi di

cubatura più elevata come il bicilindrico Suzuki 250 cm3 montato sul modello sportivo

RS250.

37

Figura I.38 Complessivo testa cilindro del motore bicilindrico

Lo schema è analogo a quello del 50 cm3, fatta salva la giacitura dell’iniettore

del carburante che è posto lateralmente.

Figura I.39 Montaggio laterale dell’iniettore

38

Il motore conserva tutte le sue prerogative, compresa la valvola parzializzatrice

di scarico, il cui attuatore, in questo caso, è controllato dalla stessa centralina che

gestisce l’iniezione.

In luogo dei corpi farfallati sul modello 250 cm3 sono stati proposti i simulacri

dei carburatori a valvola piatta nei quali è stata abolita la vaschetta con i circuiti

carburante e rimane solo la valvola gas, che a sua volta viene collegata al sensore di

apertura.

Figura I.40 Organo di regolazione

Il motore di cilindrata superiore richiede una portata di aria compressa maggiore

del 50 cm3; per questo motivo si è adottato un compressore bicilindrico installato sullo

stesso albero ausiliario che aziona la pompa dell’acqua.

39

Figura I.41 Compressore bicilindrico dell’aria

I.2: Peugeot TSDI

Il sistema Peugeot TSDI [20] è analogo a quello utilizzato dall’Aprilia: i

componenti ed il layout sono forniti dalla Orbital.

Figura I.42 Schema dell’impianto Peugeot

40

Nella figura I.42 si possono osservare i diversi componenti del sistema:

• Circuito del carburante

1) Serbatoio carburante

2) Pompa carburante

3) Regolatore di pressione

• Circuito di accensione

4) Bobina

5) Candela

• Circuito di iniezione

6) Iniettore benzina

7) Iniettore aria

• Circuito di lubrificazione

8) Serbatoio olio

9) Pompa olio

• Circuito dell’aria compressa

10) Compressore

• Circuito antifurto

11) Immobilizzatore

12) Antenna immobilizzatore

La configurazione della testa è analoga a quella del Ditech di Aprilia, con

riferimento alla figura I.43 si nota:

1) Iniettore benzina

2) Arrivo carburante

41

3) Arrivo aria

4) Regolatore pressione benzina

Figura I.43 Sezione testa Peugeot

A differenza dell’Aprilia la Peugeot adotta un catalizzatore allo scarico per

l’abbattimento delle emissioni.

Il sistema di diagnosi, manutenzione e riprogrammazione del sistema Orbital

utilizza curiosamente un GameBoy Nintendo come consolle. Si inserisce nel video

gioco un’apposita card la quale presenta i cavi per interfacciarsi con lo scooter.

Figura I.44 Sistema di diagnostica

42

I.3: Piaggio FAST

La soluzione Piaggio FAST [13] [16] rappresenta l’ultima evoluzione dell’idea

proposta dalla casa toscana verso la metà anni ’70. Si tratta in sostanza di un motore a

due stantuffi opposti con pistone di diametro minore avente funzione di pompa.

Durante le varie versioni di questo motore è stato aggiunto un importante dettaglio: una

valvola unidirezionale automatica che divide il cilindro della pompa da quello del

motore.

Analizziamo il funzionamento della prima versione FAST in cui un carburatore

prepara una miscela molto ricca. Mentre avviene il lavaggio con aria, il compressore

integrato nella testata ed azionato tramite cinghia sincrona, aspira miscela ricca,

preparata da un carburatore (figura I.45).

Figura I.45 Fase di lavaggio con aria e scarico

Successivamente durante la fase di compressione viene effettuata l’iniezione

della miscela ricca in camera di combustione, attraverso una valvola ad apertura

automatica basata sulla differenza di pressione fra le due camere (figura I.46).

43

Figura I.46 Fase di compressione ed iniezione della miscela ricca

Figura I.47 Fase di accensione della carica stratificata

44

Nella terza fase scocca la scintilla all’interno della carica opportunamente

stratificata (figura I.47) e quindi, (figura I.48), avviene l’espansione ed il ciclo può

ripetersi.

Figura I.48 Fase di espansione

Il sistema FAST è dunque caratterizzato da una notevole semplicità costruttiva

in questa esecuzione ed anche nei successivi prototipi dotati di iniezione elettronica per

un migliore controllo della miscela si è cercato di non complicare oltremodo il motore.

La miscela a titolo molto ricco viene fornita alla pompa (che a 8500 giri/min ha

un assorbimento di potenza di 0,35-0,40 CV) da un carburatore. Il sistema di

lubrificazione prevede una pompa dosatrice a due vie che fornisce olio sia alla pompa

che al motore, tramite canalizzazioni indipendenti. La cilindrata della pompa (che

utilizza un semplice albero con manovella a sbalzo, supportato da due cuscinetti a

sfere) è lievemente inferiore ai 10 cm3. L’iniezione avviene a scarico chiuso ed è

45

caratterizzata da un’ottima nebulizzazione (il diametro delle goccioline di carburante è

dell’ordine di 5-15 micron, contro i 110 micron che, mediamente, è in grado di

assicurare un iniettore a bassa pressione del tipo a solenoide, come quelli oggi

impiegati universalmente in campo automobilistico). Di grande importanza è la

stratificazione della carica che si ottiene con questo sistema di iniezione e che consente

di alimentare il motore con una miscela aria-benzina a titolo complessivamente magro,

con notevoli vantaggi dal punto di vista dei consumi e della riduzione degli inquinanti,

senza incappare in problemi funzionali di sorta. I risultati ottenuti, anche in termini di

prestazioni e di guidabilità, sono eccellenti. I consumi sono diminuiti del 30% (in certe

zone del campo di utilizzazione il consumo specifico risulta dell’ordine di soli 200

grammi/cavallo ora) e le emissioni di idrocarburi hanno subito una riduzione del 70%

(senza che sia stato necessario fare ricorso ad una marmitta catalitica).

I.4: Bimota 500 V2

La Bimota [17] ha sviluppato un interessante sistema di iniezione elettronica

diretta per il suo bilicindrico di mezzo litro di chiara destinazione sportiva.

La struttura del motore è piuttosto tradizionale mentre decisamente originale è

l’apparato di iniezione della benzina. Il motore aspira solo aria, che arriva nella camera

di manovella attraverso una grossa valvola lamellare a sei petali per ciascun cilindro,

sul quale la portata è regolata da un corpo farfallato doppio.

Figure I.49-50 Il corpo farfallato

46

La prima farfalla da 30 mm apre per i bassi carichi, mentre la seconda da 34 mm

rimane chiusa ed inizia a lavorare soltanto quando quella più piccola è quasi

completamente spalancata.

Figura I.51 Il corpo farfallato e gli iniettori

Due iniettori piazzati praticamente di fronte alla luce di scarico ed inclinati

verso il pistone provvedono ad iniettare il combustibile. Grande cura è stata posta

proprio nello studio del posizionamento degli iniettori, il cui spruzzo è rivolto verso le

luci di travaso più vicine allo scarico che, per come sono disegnati i condotti, generano

i flussi in entrata nel cilindro più veloci: in questo modo il getto di carburante si scontra

con quello di aria in arrivo dal carter e viene polverizzato con una buona efficacia. Con

l’iniezione nel cilindro, difatti, non solo si devono realizzare fasi d’iniezione tali per cui

non ci sia dispersione attraverso lo scarico, ma si deve anche ottenere una

polverizzazione ottimale per avere una combustione completa. All’avviamento esiste

una funzione apposita che arricchisce la carburazione e ritarda notevolmente

l’accensione per agevolare la partenza.

47

Figura I.52 Sezione del cilindro Bimota

Gli iniettori sono realizzati espressamente per questo modello dalla Siemens.

L’alimentazione laterale avviene tramite intercapedini anulari a loro volta circondate

dal refrigerante che mantiene costante la temperatura (e quindi la densità) della benzina

iniettata.

48

Figura I.53 Iniettore Siemens realizzato su specifiche Bimota

Il sistema elettronico di questa unità è realizzato dalla TDD, prevede una

memoria di diagnosi: nel quadro della moto una spia segnala eventuali

malfunzionamenti che possono poi essere letti dalla rete di assistenza con un apposito

strumento.

I.5: Orbital

La Orbital, ditta australiana specializzata in motori termici a due tempi, ha

realizzato un tre cilindri in linea di 1200 cm3 di cilindrata, con carter-pompa ad

ammissione con valvola lamellare e lavaggio effettuato con sola aria mediante luci di

travaso. L’alimentazione avviene tramite iniezione diretta pneumatica nella camera di

combustione di tipo molto particolare. Un compressore meccanico azionato dal motore,

infatti provvede a fornire aria a 7 bar mentre una pompa elettrica fornisce benzina a 6

bar; in seguito un solenoide fa entrare in una precamera la quantità giusta di

combustibile e successivamente un altro solenoide solleva il pistoncino che regola

l’efflusso di aria e che apre lo spillo dell’iniettore: in questo modo si ottiene uno spray

finissimo con un’eccellente polverizzazione della benzina. Tutto ciò permette la

formazione di miscela molto omogenea in tempi piuttosto brevi, agevolando la buona

combustione ed ottenendo una bassa emissione di idrocarburi incombusti allo scarico.

49

Si ricorda, infatti, che gli idrocarburi allo scarico non sono solo dovuti a

situazioni di cortocircuito, bensì possono essere causati anche da un eccessivo regime

di rotazione. In questi casi, infatti, le fasi di carburazione, accensione e combustione

completa non hanno il tempo necessario e quindi si ha una incompleta combustione.

Questo problema è ancora più accentuato nel caso di iniezione a seguito di un lavaggio

con sola aria. Infatti in questi casi, la carburazione si svolge solo all’interno della

camera di combustione durante la salita dello stantuffo che sta svolgendo la fase di

compressione ed i tempi sono ridotti rispetto al caso di un motore a due tempi

tradizionale; in esso, infatti, la carburazione tra benzina ed aria ha molto più tempo per

compiersi e così nel cilindro entra miscela già carburata.

Questo particolare iniettore, inoltre, grazie al tempo di iniezione estremamente

ridotto (1.4 ms), mantiene queste qualità anche ad elevati regimi di rotazione e permette

di variare l’anticipo dell’iniezione in funzione del carico del motore.

Le prestazioni risultanti sono quindi molto buone, superiori del 20% rispetto a

quelle di un motore a quattro tempi. La potenza massima erogata è di circa 60 kW (82

CV) a circa 5000 giri/min, con una potenza specifica di 50 kW/litro (68 CV/litro),

mentre la coppia massima è di circa 125 Nm a 3500 giri/min. Anche le emissioni sono

contenute e, se si paragona questo motore con un 1800 cm3 a quattro tempi, a parità di

energia utile si ha che è necessaria una minore quantità di energia restituita sotto forma

meccanica per avere la medesima energia disponibile per il carico. Questo accade

grazie alle caratteristiche tipiche del due tempi (il ciclo in sé ed i supporti di banco su

cuscinetti a rulli) che fanno sì che l’energia persa negli attriti e in effetti di pompaggio

sia ridotta. In ultimo vale la pena sottolineare che le modifiche da apportare ad un

tradizionale motore a due tempi sono molto contenute e quindi anche i costi di

realizzazione; questo rende tale motore molto competitivo nell’ottica di realizzazione

del progetto.

La tecnologia impiegata in questo motore è analoga a quella del Ditech di

Aprilia, dunque sono state confermate le potenzialità di questo sistema anche nella

produzione di serie.

50

I.6: Toyota S2 Questo motore si basa sulle conoscenze tecniche sviluppate per i motori a

quattro tempi. Le valvole in testa, infatti, sono mosse da alberi a camme che ricevono il

moto dall’albero motore grazie ad una cinghia dentata e lavorano esattamente come nel

suddetto propulsore, sostituendo le luci di lavaggio e di scarico tipiche del motore a due

tempi. Le valvole a fungo permettono di ottimizzare le fasi di scarico e lavaggio senza

essere legate alla simmetria rispetto al PMI.

Il carter motore non ha più funzione di pompa (pertanto in esso è presente solo

olio e la lubrificazione degli organi meccanici è molto buona) e per espletare questa

funzione si adotta un compressore Roots azionato dal motore stesso, rendendo quindi

possibile l’ottenimento di un coefficiente di lavaggio maggiore dell’unità.

Nella testa sono presenti ben due iniettori, una candela e cinque valvole (tre di

scarico e due di lavaggio). Si evidenzia la presenza di deflettori per le valvole di

lavaggio nella zona più prossima a quelle di scarico al fine di evitare il cortocircuito.

Per quanto riguarda il numero delle valvole questo motore è in controtendenza a

quelle che sono le soluzioni di alcune case motociclistiche per motori a quattro tempi.

Ad esempio Aprilia e Yamaha adottano tre valvole all’aspirazione e due allo scarico.

Ovviamente il lavaggio adotta lo schema delle correnti ripiegate ma ottiene risultati

paragonabili allo stantuffo di gas.

Nella figura I.55 si riporta l’andamento del rendimento di lavaggio, ottenuto per

via sperimentale, in funzione del coefficiente di lavaggio.

51

Figura I.54 Schema applicativo del motore Toyota S2

La curva relativa ai dati sperimentali è molto più vicina a quella dello schema di

lavaggio a stantuffo di gas (perfect displacement) che non a quella dello schema di

lavaggio a progressiva e uniforme diluizione (perfect mixing); inoltre, tali risultati sono

in accordo con la simulazione numerica.

I due iniettori garantiscono pressioni di 100 bar e sono dislocati in posizioni un

po’ sacrificate al fine di lasciare alla candela il posto centrale nella camera di

combustione, così da avere una buona e rapida combustione.

52

Figura I.55 Andamento sperimentale del rendimento di lavaggio

Le prestazioni di questo bicilindrico di 804 cm3 di cilindrata sono: 46 kW (63

CV) di potenza massima a 4000 giri/min, una potenza specifica di 57 kW/litro (78

CV/litro) e consumi piuttosto bassi soprattutto per regimi medio-bassi. Dal punto di

vista delle emissioni, paragonandolo con un quattro tempi convenzionale, si ha che gli

ossidi di azoto sono nettamente inferiori ed anche i consumi sono migliori.

Ovviamente qualche inconveniente esiste; ad esempio le valvole e gli organi

meccanici ad esse correlati sono soggetti a forze nettamente superiori che non su di un

quattro tempi a causa dell’elevato regime di rotazione tipico del due tempi tradizionale.

Inoltre, le valvole a fungo non permettono le stesse sezioni di passaggio delle luci

regolate dallo stantuffo; quindi, pur riuscendo ad aumentare il regime massimo di

rotazione, si avrebbero forti perdite per laminazione nelle valvole ed un conseguente

calo delle prestazioni del motore.

53

I.7: Motore Lotus a carica stratificata La particolarità di questa realizzazione è principalmente la valvola rotante posta

in testa che provvede a fornire la carica stratificata nella camera di combustione. Essa è

guidata dal motore tramite una cinghia che provvede anche alla movimentazione di una

valvola parzializzatrice allo scarico.

L’utilizzo di una valvola rotante permette una maggiore sezione di passaggio

rispetto alle tradizionali valvole a fungo; inoltre, non presentando problemi di inerzie

dovute a moti di tipo alterno, permette il raggiungimento di regimi di rotazione

notevolmente superiori. Va comunque precisato che la realizzazione di una valvola

rotante nella testa del motore senza problemi di eccessivo surriscaldamento (con le

relative deformazioni della valvola che causerebbero problemi di tenuta) è possibile

grazie alla presenza di aria e benzina freschi nella valvola stessa che ne favoriscono il

raffreddamento. Nella figura I.57 è rappresentata la sequenza delle quattro fasi in cui

avviene l’immissione della carica fresca nella camera di combustione.

Figura I.56 Spaccato del prototipo a due tempi realizzato dalla Lotus

54

La valvola rotante è costituita da due elementi: uno statore interno, che presenta

due cavità (una contenente aria e l’altra miscela molto ricca) aperte verso la camera di

combustione, ed un rotore esterno, costituito da un cilindro incompleto (è appunto la

parte mancante che permette il passaggio dei due fluidi dallo statore alla camera di

combustione).

La rotazione del manicotto permette il passaggio prima dell’aria in pressione e

poi della miscela in pressione; in questo modo si ottiene un primo lavaggio effettuato

con sola aria e poi l’immissione del combustibile che andrà a generare una zona ricca

vicino alla candela per l’accensione (che risulta accanto all’apertura della valvola) e

zone meno ricche via via che ci si allontana dal punto di immissione fino ad avere zone

magre nei punt i più lontani.

Ovviamente, per evitare perdite di carica fresca, la cavità contenente miscela

viene aperta solo quando le luci di scarico stanno per chiudersi completamente. Inoltre

lo statore può effettuare delle rotazioni di qualche grado tali da permettere di far variare

il tempo in cui la cavità con miscela resta aperta: così facendo il rapporto tra aria pura e

miscela ricca viene fatto variare in modo opportuno in base alle condizioni di utilizzo

ed al numero di giri.

La valvola parzializzatrice è anch’essa gestita da un cinematismo (composto da

biellette e cinghie) che le permette di compiere dei movimenti ciclici ad ogni giro del

motore; inoltre l’ampiezza dei movimenti è regolabile in base al tipo di carico ed al

numero di giri cui è sottoposto. Questa tipologia di valvola parzializzatrice allo scarico

permette di avere una fase di scarico asimmetrica ed in particolare agli alti carichi ne

anticipa la fine. In questo modo si ha un favorevole aumento del rapporto di

compressione effettiva del motore. Ai bassi carichi, invece, permette un ritardo di

apertura della luce di scarico e, di conseguenza, aumenta il rapporto effettivo di

espansione migliorando il rendimento effettivo del motore.

55

Figura I.57 Schema di funzionamento della valvola rotante del prototipo Lotus

La valvola parzializzatrice di scarico permette, inoltre, un funzionamento più

stabile del motore ai bassi carichi ed ai bassi regimi di rotazione: in queste condizioni è

quindi possibile far funzionare il motore con dosature più ricche.

Questa variante del tradizionale motore a due tempi ad accensione comandata

dà come risultato una buona riduzione dei consumi, soprattutto ai regimi medio-alti e

bassi.

56

CAPITOLO II

Esperienze precedenti su motori a due tempi presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino

Gli studi sul motore in esame sono stati preceduti da diverse esperienze su

motori a due tempi presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino.

Col motore Cagiva T4E 350 è stato introdotto il termine “innovativo”: cioè un

propulsore caratterizzato da bassi livelli di emissioni inquinanti e di consumo specifico

di benzina, unitamente ad elevati coefficienti di lavaggio in un esteso campo di utilizzo.

I motori Benelli 1FB 1226 e Husqvarna WR250 meritano di essere citati per

l’applicazione del sistema di iniezione diretta del combustibile.

II.1: Propulsore Cagiva T4E 350

Nel 1986 presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino il

professor Enrico Antonelli decise di impegnarsi in un progetto di ricerca che portasse

alla realizzazione di un motore pluricilindrico a due tempi per applicazioni

automobilistiche caratterizzato da elevate potenze specifiche unite a bassi valori di

consumo specifico e di emissioni inquinanti. Nello stesso tempo doveva presentare una

buona caratteristica meccanica, vale a dire che fosse capace di fornire valori di coppia

elevati già a bassi regimi, in modo da permettere una buona guidabilità.

Per raggiungere questi obbiettivi si pensò anzitutto di ricorrere all’iniezione del

combustibile, in modo da limitare le perdite dovute al cortocircuito nella fase di

lavaggio. Liberati dal vincolo sui bassi valori del coefficiente di lavaggio, grazie

57

all’utilizzo di sola aria anziché di miscela carburata, si optò per l’adozione di una

pompa esterna, con cui ottenere y = 1,3-1,5 e pertanto valori di λv significativamente

maggiori di quelli conseguibili con i due tempi tradizionali. Oltre a questo la rinuncia

all’utilizzo del carter come pompa avrebbe permesso di evitare l’aggiunta dell’olio

lubrificante direttamente alla carica, causa della formazione di depositi carboniosi sulla

testa, sugli stantuffi, sulle luci e nella marmitta, dell’imbrattamento della candela e di

emissioni di particolato ed idrocarburi incombusti in quantità maggiore.

Non disponendo delle risorse necessarie per realizzare ex novo un motore che

corrispondesse esattamente al modello teorico, si procedette ad adattare un motore

preesistente che si avvicinasse al predetto modello. La scelta cadde sul motore Cagiva

T4E 350, un monocilindro a quattro tempi con quattro valvole in testa raffreddato ad

aria. Si cercava un motore a quattro tempi in quanto già provvisto di un sistema di

lubrificazione forzata degli accoppiamenti delle parti in moto relativo; inoltre la

presenza delle valvole in testa avrebbe consentito, aprendo nel cilindro luci scoperte

dallo stantuffo, di realizzare un lavaggio unidirezionale, più efficiente di quello a

correnti ripiegate. In particolare ci si orientò verso un motore con quattro valvole per

disporre di un’ampia sezione di efflusso dei gas combusti, così da poter ridurre la

durata della fase di scarico. In tal modo si sarebbe potuto scegliere se ritardare l’inizio

dello scarico spontaneo, prolungando la fase di espans ione, allo scopo dì raccogliere

maggior lavoro dai gas, o se anticipare la chiusura dello scarico- lavaggio, lasciando più

tempo al combustibile iniettato per miscelarsi con l’aria presente nel cilindro.

Figura II.1 Particolare delle luci di lavaggio

58

Partendo da un motore monocilindrico si sarebbero poi semplificate le

operazioni di modifica necessarie per il funzionamento a due tempi, con beneficio per

tempi e costi. Sempre in quest’ottica si preferì un motore raffreddato ad aria, privo

quindi di intercapedini per la circolazione del liquido refrigerante, le quali avrebbero

comportato problemi di tenuta complicando il lavoro di adattamento del motore.

Il compito di occuparsi della trasformazione del motore di partenza fu affidato

per primo allo studente A. Goggi, che riportò nella Tesi di Laurea [1] i risultati del

lavoro svolto.

Per l’alimentazione si utilizzò un compressore volumetrico di tipo Roots di

costruzione Abarth, che mandava l’aria compressa con l’interposizione di un

dispositivo di by-pass in un condotto che si sdoppiava successivamente per portarla alle

due luci praticate nel cilindro, una contrapposta all’altra.

Figura II.2 Dispositivo di by-pass

59

In figura II.2 è mostrata una foto del dispositivo di by-pass, usato per regolare il

compressore per riflusso all’esterno di parte della mandata.

Tale dispositivo è costituito essenzialmente da un blocco di duralluminio che è

attraversato dal condotto principale dell’aria. Sempre al suo interno è ricavato un

condotto che si dirama dal primo verso l’esterno. Entrambi sono intercettati da valvole

a farfalla collegate mediante un quadrilatero articolato in modo che mentre una si apre,

l’altra si chiuda, e viceversa. Sulla loro legge di apertura si può oltretutto agire in

maniera piuttosto agevole, variando la lunghezza di uno dei bracci costituenti il

quadrilatero articolato. Un potenziometro fornisce l’indicazione della posizione della

farfalla inserita nel condotto principale.

Volendo regolare il motore facendo rifluire all’esterno, ai carichi parziali, una

frazione della portata mandata dal compressore, sarebbe sufficiente una sola valvola sul

condotto di riflusso. La valvola sul condotto principale serve allo scopo di ottenere una

regolazione precisa in un più ampio campo di carichi. Infatti quando una valvola a

farfalla è quasi completamente aperta risulta scarsa la sensibilità del flusso a sue

piccole rotazioni. Con una sola valvola ad intercettare l’aria diretta all’atmosfera si

potrebbe regolare con buona precisione il sistema compressore-motore ai carichi più

alti, quando la valvola si trova in condizioni prossime alla completa chiusura, ma non a

quelli più bassi, con la valvola quasi parallela al flusso. La presenza di due farfalle

permette invece di assicurare la voluta regolazione sfruttando ai carichi maggiori quella

sul condotto di riflusso ed ai minori quella sul condotto principale.

Per l’alimentazione del combustibile si pensò di ricorrere all’iniezione indiretta

gestita elettronicamente da una centralina a cui sarebbero dovuti giungere i segnali di

pressione e temperatura dell’aria di lavaggio, di posizione della farfalla sul condotto

principale e di velocità angolare del motore, posizionando due iniettori nei condotti di

lavaggio in maniera che lo spray venisse formato immediatamente a monte delle luci.

Si scelse di far uso di due iniettori, ciascuno dei quali dimensionato in funzione di una

portata pari alla metà di quella massima richiesta, in quanto uno solo non sarebbe stato

in grado di controllare in modo adeguato il flusso in ogni condizione. Ai carichi più

60

bassi si sarebbe certamente avuta, durante la chiusura dell’iniettore, la formazione di

gocce di combustibile di grandi dimensioni, che non riuscendo a evaporare

completamente sarebbero divenute fonte di HC allo scarico. L’inconveniente non si

sarebbe invece verificato disponendo di due iniettori di dimensioni più contenute, uno

dei quali utilizzato per integrare la portata fornita dall’altro solo ai carichi più alti.

Un primo problema si evidenziò allorché si procedette a fresare la camicia per

ricavarvi le luci di lavaggio. La loro ampiezza angolare fu infatti limitata a valori

inferiori a quelli desiderati, anzitutto dalla forma del mantello dello stantuffo. Quello

originale dovette essere sostituito in quanto il passaggio dal funzionamento a quattro

tempi a quello a due tempi implicava la necessità di un mantello più lungo, in grado di

garantire la chiusura delle luci con lo stantuffo al PMS. Siccome questa condizione

doveva essere soddisfatta senza naturalmente che si avesse interferenza tra il mantello

stesso e l’albero a gomiti, quando lo stantuffo si portava al PMI, non potendosi

realizzare un mantello troppo lungo si fu costretti a realizzare luci meno alte del

necessario e posizionate al di sopra del PMI. Ulteriori penalizzazioni derivarono dalla

presenza della catena di comando della distribuzione, delle sedi dei prigionieri di

fissaggio del cilindro al carter e dei condotti di adduzione del lubrificante all’albero a

camme. Non potendosi aumentare a piacimento l’altezza delle luci per non anticiparne

eccessivamente l’apertura, a tali limitazioni conseguì una riduzione delle sezioni di

passaggio dell’aria, a tutto danno della completezza del lavaggio.

Un secondo inconveniente fu legato all’iniezione indiretta. La forma dello spray

e la pressione d’iniezione del combustibile erano infatti tali per cui parte del

combustibile arrivava a bagnare le pareti dei condotti, senza riuscire ad evaporare

completamente. Inoltre, l’ultima frazione del combustibile iniettato, tanto maggiore

quanto più grande era la quantità di combustibile richiesta in quel ciclo, non riusciva a

entrare nel cilindro prima che le luci si chiudessero. Vi veniva perciò introdotta

all’inizio del ciclo successivo, col risultato di essere quasi completamente scaricata

insieme all’aria di lavaggio, determinando un peggioramento del consumo specifico e

dell’emissione d’inquinanti.

61

Una terza serie di problemi furono causati dalla distribuzione, infatti a causa del

raddoppiato rapporto di trasmissione tra albero motore e albero a camme, è stato

necessario ridurre la massima alzata delle valvole a fungo al fine di contenere entro

limiti accettabili le massime accelerazioni a cui le valvole sono sottoposte. In più la

presenza sulla testata di un solo albero a camme per il comando delle quattro valvole,

ha precluso la possibilità di variare 1’ampiezza angolare della fase di scarico. Tale

operazione sarebbe stata invece possibile, nel caso in cui il motore avesse avuto due

alberi a camme in testa, semplicemente sfasando la posizione angolare di un albero a

camme rispetto all’altro.

Figure II.3-4 Il motore Cagiva installato al banco

Il difetto principale, che costrinse ad abbandonare la sperimentazione, dipese

però dall’impossibilità di ricorrere per l’avviamento del motore al motorino elettrico,

cui tale compito era originariamente affidato, a causa dell’ingombro dei condotti di

lavaggio. Per la messa in moto si sviluppò allora un gruppo costituito da un motore

elettrico destinato a trascinare, mediante una cinghia, l’albero di un riduttore-giunto

collegato al freno dinamometrico, a sua volta connesso tramite un doppio giunto

cardanico all’albero del cambio. Siccome nel basamento erano integrati sia la frizione

sia il cambio, il moto doveva essere trasmesso all’albero a gomiti attraverso di essi.

Non essendo la frizione adeguatamente dimensionata per la coppia richiesta per

l’avviamento essa tendeva a slittare rendendo estremamente complessa l’operazione.

62

II.2: Propulsore Benelli 1FB 1226 Il motore Benelli 1FB 1226 [8] è un monocilindrico a due tempi ad accensione

comandata con lavaggio a correnti ripiegate trasversali ed aspirazione con terza luce. Il

cilindro è realizzato in alluminio con canna riportata in ghisa; la camera di combustione

è emisferica con area di squish disposta perifericamente e la candela è posta

lateralmente a formare un angolo di circa 45° con l’asse del cilindro. Il carter, in

alluminio, è formato da due elementi uniti lungo un piano mediano; carter, cilindro e

testata sono tra loro vincolati da prigionieri.

Alesaggio 75 mm Volume spazio morto motore 48 cm3

Corsa 78 mm Volume spazio morto carter 810 cm3

Cilindrata 344,6 cm3 Rapporto di compressione geometrico

8,179:1

Lunghezza manovella 39 mm Rapporto di compressione effettivo 5,46:1

Lunghezza biella 156 mm Rapporto di compressione del carter

1,425:1

Figura II.5 Caratteristiche tecniche propulsore Benelli 1FB 1226

La distribuzione è affidata esclusivamente allo stantuffo ed è quindi simmetrica

rispetto al PMS; in particolare la fase di scarico dura 166.4° a partire da 96.8° DPMS, il

lavaggio dura 116.86° da 121.57° DPMS, mentre la fase di aspirazione nel carter-

pompa dura 157.06° a partire da 78.53° PPMS.

La lunghezza del mantello del pistone è pari a 77 mm sul lato aspirazione e 79

mm sul lato scarico; tale differenza crea un anticipo angolare dell’aspirazione pur

garantendo la chiusura completa della luce di scarico rispetto al carter anche quando il

pistone si trova al PMS. La distanza tra il cielo dello stantuffo ed il piede di biella è pari

a 38 mm e lo spinotto è montato senza disassamento.

63

Il raffreddamento del motore è ad aria forzata da una ventola centrifuga solidale

al volano magnete, che spinge l’aria in un apposito carter in lamiera facendola giungere

in prossimità delle alette di raffreddamento presenti su cilindro e testa.

L’accensione è di tipo classico con le puntine platinate che alimentano

direttamente la bobina di alta tensione; inoltre è presente un dispositivo a masse

centrifughe che, variando il posizionamento angolare della camma di comando delle

puntine rispetto all’albero motore, permette di variare l’anticipo di accensione al

crescere del numero di giri del motore.

La lubrificazione del motore originale era affidata alla miscelazione diretta della

benzina di alimentazione con olio, mentre durante la sperimentazione viene effettuata

inviando una portata di olio direttamente nel collettore di aspirazione con l’ausilio di

una pompa a portata variabile azionata da un motore elettrico: tale modifica,

auspicabile per poter iniettare esclusivamente benzina utilizzando il sistema di

iniezione indiretta, si rivela indispensabile durante l’alimentazione ad iniezione diretta,

in quanto in caso contrario il motore non risulterebbe in alcun modo lubrificato.

Durante le prove al banco è stato anche utilizzato uno scarico ad espansione

progettato tramite un codice di simulazione: l’ottimizzazione è stata scelta per un

regime di 3500-4000 giri/min. Tale espansore, realizzato in lamiera d’acciaio, è stato

dotato di un silenziatore ad assorbimento. I confronti fatti con prove realizzate in

precedenza a parità di sistema di iniezione, ma con il sistema di scarico originale,

hanno messo in evidenza un notevole incremento del riempimento del motore a regimi

prossimi a quelli di progetto con relativo miglioramento delle prestazioni in termini di

coppia e potenza.

Configurazione della testata .

Le prove eseguite in differenti lavori di Tesi, hanno avuto notevole importanza

per quanto riguarda lo studio del migliore posizionamento dell’iniettore sulla testa del

motore: alcune sono state svolte con l’iniettore orientato coassialmente al cilindro e

posizionato al centro della testa, altre hanno previsto lo spostamento dell’iniettore in

64

posizione laterale, con inclinazione rispetto all’asse del cilindro a 60° ed orientamento

in direzione opposta alla luce di scarico.

Figura II.6 Sezione Benelli 1FB 1226 in configurazione ad iniezione diretta

I rilievi al banco hanno permesso di osservare che la disposizione inclinata è da

preferirsi in quanto parte dello spray riesce a raggiungere gli elettrodi della candela

formando una zona di miscela ricca che facilita l’accensione. Si realizza in pratica una

sorta di combustione a carica stratificata con la zona di miscela ricca nei pressi della

candela e sempre più povera man mano che ci si allontana. Il rischio di questo tipo di

configurazione è di bagnare le pareti del cilindro. In questo caso infatti se le parti della

canna del cilindro bagnate dal carburante venissero coperte dallo stantuffo in risalita

verso il PMS il carburante ivi depositato non potrebbe partecipare alla combustione,

mentre nella successiva fase di espansione evaporerebbe trasferendosi allo scarico sotto

forma di idrocarburi incombusti altamente inquinanti e riducendo i vantaggi intrinseci

dell’iniezione diretta.

65

Figura II.7 Iniettore coassiale al cilindro

L’inclinazione dell’iniettore comporta che parte del combustibile iniettato

lambisca la testata (caratterizzata da un’elevata temperatura), facilitando così

l’evaporazione delle gocce; l’effetto dello squish, inoltre, contribuisce in questo caso ad

uniformare la miscela nei pressi della candela.

Caratteristiche di funzionamento

La serie di prove al banco eseguite sul motore Benelli 1 FB 1126 è stata

condotta con le due diverse configurazioni previste per l’alimentazione, ovvero con

iniezione indiretta nel collettore di aspirazione e con iniezione diretta in camera di

combustione.

66

Per quanto concerne l’alimentazione con iniezione diretta si è iniziato con la

ricerca delle migliori condizioni di alimentazione relative al propulsore, equipaggiato

sia con un sistema di alimentazione ad iniezione diretta in camera di combustione sia

con un sistema di scarico appositamente progettato, dotato di una camera di espansione

accordata realizzata in base alle specifiche calcolate in un precedente lavoro di Tesi,

grazie all’ausilio di un software di simulazione (Wave).

Obiettivo prefissato era il raggiungimento di basse emissioni inquinanti allo

scarico unite a buone prestazioni meccaniche, mantenendo una dosatura interna del

motore prossima al valore stechiometrico in modo tale che i risultati sperimentali

fossero confrontabili con quelli ottenuti con il motore alimentato ad iniezione indiretta.

I parametri che sono stati variati durante questa sessione di prove sono la durata

ed il ritardo di iniezione a numero di giri del motore costante. Tali grandezze relative al

sistema di iniezione vengono regolate allargando e sfasando elettronicamente l’impulso

proveniente dal marker già debitamente squadrato e portato a livelli TTL: un’apposita

centralina provvede a ritardare il segnale a seconda dei valori temporali impostati

manualmente (millisecondi dal fronte di discesa del segnale in ingresso) e a

modificarne il duty-cycle (percentuale di durata del livello logico 1 sul totale): in

questo modo è possibile variare la dosatura di funzionamento del motore ed evitare

fuoriuscite di benzina allo scarico durante la fase di travaso. Si cerca infatti di iniziare

l’iniezione di carburante a luci completamente chiuse o in fase avanzata di chiusura, in

modo tale che lo spray non abbia la possibilità di sfuggire attraverso la luce di scarico.

Il ritardo di iniezione rispetto al marker (gestito in termini di tempo e non di angoli)

viene ridotto al crescere del numero dei giri.

Le prove sono state tutte eseguite a farfalla completamente aperta (W.O.T. -

Wide Open Throttle), variando il numero di giri tramite il freno dinamometrico: la serie

di dati ottenuta è stata successivamente analizzata in modo da individuare le

regolazioni del sistema di iniezione tali da garantire una dosatura prossima al valore

stechiometrico, utilizzabili per confronti con le prove eseguite in precedenza.

67

L’alimentazione del motore ad iniezione diretta con espansione accordata ha

richiesto diverse prove a parità di numero di giri al fine di individuare le condizioni

migliori di combustione (variazione dei tempo di iniezione) e ridurre ai minimi valori

possibili le emissioni di idrocarburi incombusti allo scarico (variazione ritardo di

iniezione).

Influenza dei parametri di alimentazione

I risultati ottenuti nelle prove a numero di giri costante ed a dosatura e ritardo di

iniezione rispetto al marker variabili, hanno messo in evidenza una notevole sensibilità

del motore alle variazioni dei parametri di alimentazione, non solo nei confronti della

caratteristica meccanica, ma anche del consumo specifico e, soprattutto, delle emissioni

di idrocarburi incombusti e di ossido di carbonio.

Figura II.8 Influenza della durata di iniezione sulla caratteristica meccanica

68

Occorre infatti raggiungere il migliore compromesso tra l’esigenza di

posticipare il più possibile l’iniezione per evitare la fuoriuscita di carica fresca allo

scarico e quella di miscelare al meglio aria e benzina per migliorare la combustione e

conseguentemente ridurre gli HC dovuti alla cattiva combustione. I grafici in figura II.9

e II.10 mettono in evidenza il fenomeno in funzione delle impostazioni del ritardo di

iniezione rispetto al marker.

E’ opportuno inoltre sottolineare che a causa della risoluzione della centralina di

controllo dell’iniezione (0.1 ms) non è stato possibile effettuare una messa a punto fine

dei tempi di iniezione e di ritardo.

Figura II.9 Influenza della durata di iniezione sulle emissioni inquinanti

69

Il grafico di figura II.10 mostra un leggero incremento del consumo specifico

per alti ritardi di iniezione, accompagnato da una riduzione dei valori di coppia e

potenza: la causa può essere principalmente individuata nella cattiva omogeneizzazione

della miscela all’interno della camera di combustione dovuta al ridotto tempo che

intercorre tra fine iniezione ed accensione.

Figura II.10 Influenza del ritardo di iniezione sulla caratteristica meccanica

Mantenere un moderato ritardo di iniezione ha tuttavia un risvolto positivo: gli

idrocarburi incombusti presenti allo scarico vengono drasticamente ridotti in quanto

viene ridotta o annullata (per ritardi di iniezione ottimizzati) la quantità di combustibile

70

mandata allo scarico durante la fase di lavaggio e nonostante aumenti la produzione di

HC dovuti alla cattiva combustione, il risultato complessivo in termini di emissioni di

HC è comunque migliore. Se il ritardo di iniezione assume invece valori troppo elevati,

la combustione peggiora a tal punto da annullare o quasi i vantaggi derivanti

dall’assenza di cortocircuito di carica fresca.

Figura II.11 Influenza del ritardo di iniezione sulle emissioni inquinanti

L’incremento del CO allo scarico per forti ritardi di iniezione si può attribuire

alla dosatura effettiva più ricca (dosatura interna) che, a parità di dosatura apparente, si

riduce a causa della minore quota parte di combustibile mandata allo scarico durante il

lavaggio.

71

Risultati sperimentali e parametri di iniezione

Dai dati rilevati sperimentalmente sono stati estrapolati quelli con dosatura più

vicina alla condizione stechiometrica, che prevede un rapporto in peso

aria/combustibile pari a circa 14.6. Occorre precisare che la determinazione della

dosatura con l’alimentazione ad iniezione diretta è complicata notevolmente dalle

difficoltà che si incontrano nel quantificare la quota di aria di lavaggio che rimane

intrappolata nel cilindro alla chiusura della luce di scarico e l’eventuale quantità di

benzina fuoriuscita allo scarico durante la fase di iniezione. Nel caso specifico, l’inizio

dell’iniezione è sufficientemente vicino all’angolo di chiusura completa della luce di

scarico (98° PPMS) da garantire che il lavaggio venga effettuato esclusivamente con

aria, ovvero in modo tale da non avere fughe di combustibile dalla luce di scarico. Tale

affermazione comporta anche che gli HC presenti allo scarico siano attribuibili

esclusivamente all’imperfetta combustione ed all’olio di lubrificazione.

L’ossigeno presente allo scarico non è, come nei motori a quattro tempi,

funzione esclusiva della dosatura di funzionamento del motore, in quanto nei 2T

durante la fase di lavaggio si ha una fuoriuscita di ossigeno allo scarico, specialmente

nei motori ad iniezione diretta in cui il lavaggio può essere sovrabbondante. L’ossigeno

presente allo scarico è quindi somma della quota parte dovuta al lavaggio e di quella

che non ha preso parte alla combustione, nel caso in cui sia effettuata con eccesso

d’aria. L’andamento della percentuale d’ossigeno allo scarico dovrebbe pertanto essere

decrescente con il diminuire della dosatura fino al raggiungimento del valore

stechiometrico, superato il quale dovrebbe mantenersi costante per tutto il campo delle

dosature ricche, all’interno del quale l’ossigeno allo scarico dovrebbe essere attribuibile

esclusivamente al lavaggio.

Nei diagrammi seguenti si riportano i parametri di iniezione necessari a

mantenere la dosatura stechiometrica al variare del regime di rotazione, la caratteristica

meccanica ottenuta mantenendo forzatamente la dosatura stechiometrica, il consumo

specifico di combustibile al variare del regime e con differenti soluzioni di scarico e

alimentazione (iniezione diretta e indiretta) e la variazione delle emissioni inquinanti

con dosatura stechiometrica ed iniezione diretta.

72

Figura II.12 Regolazioni di iniezione utilizzate nelle prove con dosatura

stechiometrica

Figura II.13 Caratteristica meccanica ottenuta con dosatura stechiometrica

73

Figura II.14 Influenza del sistema di iniezione diretta e del sistema di scarico sul consumo specifico

Figura II.15 Concentrazione dei principali inquinanti allo scarico in funzione del regime di rotazione

74

Dai risultati sperimentali relativi all’alimentazione ad iniezione diretta sono

emersi risultati confortanti per quanto riguarda l’abbattimento delle emissioni

inquinanti, anche se contemporaneamente si nota una leggera flessione delle prestazioni

in termini di potenza e coppia ed uno spostamento dei rispettivi massimi a regimi più

elevati. Si ha infatti un deciso decremento degli idrocarburi incombusti lungo tutto

l’arco di funzionamento del motore, con punte di abbattimento prossime al 90% a basso

numero di giri; anche gli ossidi di azoto sono prodotti in quantità inferiori a tutti i

regimi mentre si rileva un leggero aumento delle emissioni di ossidi di carbonio per

alcuni valori della velocità di rotazione.

II.3: Propulsore Husqvarna WR250

L’Husqvama WR 250 [10] è un motociclo nato per competizioni “crossistiche”

spinto da un motore a due tempi ad alte prestazioni prodotto dall’italiana Cagiva per

conto della svedese Husqvarna.

Figura II.16 Vista lato-volano del propulsore

Il propulsore eroga nella sua configurazione originale 49.5 CV a 8500 giri,

(dichiarati dalla Casa Costruttrice).

75

Il motore è un monocilindrico a due tempi ad accensione comandata con

lavaggio a correnti ripiegate trasversali ed aspirazione nel carter controllata da lamelle.

Il cilindro è realizzato in alluminio, la camera di combustione è emisferica con area di

squish disposta perifericamente, la candela è posta centralmente e coassialmente al

cilindro. Il carter, in alluminio, contiene anche gli alberi del cambio, la frizione, la

trasmissione primaria ed il generatore elettrico.

Sullo scarico è montata una valvola meccanica a controllo centrifugo che

parzializza la luce di passaggio ai bassi regimi per ottimizzare le prestazioni.

Le caratteristiche tecniche principali del propulsore sono sintetizzate nella

tabella seguente:

Alesaggio 66,65mm Volume spazio morto motore-camera di combustione

17,7 cm3

Corsa 70,7 mm Rapporto di compressione geometrico

14:1

Cilindrata 246,5 cm3 Rapporto di compressione effettivo con valvola chiusa

9,55:1

Lunghezza manovella 35,35 mm Rapporto di compressione effettivo con valvola aperta

7,68:1

Figura II.17 Caratteristiche tecniche motore WR250

Il motore, raffreddato a liquido, è dotato di una pompa centrifuga calettata su un

estremo dell’albero a gomiti: il fluido, attraverso due condotti praticati sulla testata del

propulsore, raggiunge lo scambiatore di calore, che sul motore di serie è del tipo

aria/acqua a flusso trasversale.

L’accensione è elettronica a scarica capacitiva senza parti in movimento con

sensore induttivo di posizione dell’albero: la centralina elettronica si occupa di

alimentare la bobina di accensione in base al segnale fornito dal sensore ed all’anticipo

adatto al regime di rotazione.

76

Il sistema di alimentazione originale prevede l’adozione di un carburatore

Mikuni da 38 mm a getto variabile, montato direttamente sul collettore di aspirazione

che è realizzato in materiale sintetico.

La lubrificazione del motore è originariamente affidata alla miscelazione diretta

della benzina di alimentazione con olio al 2% in volume.

Modifiche alla testata del motore

L’installazione dei componenti relativi al sistema di iniezione diretta sulla

testata del motore è vincolata da particolari esigenze di carattere sia tecnico che

logistico. In particolare l’iniettore deve essere posizionato in modo che lo spray sia

orientato in direzione opposta alla luce di scarico, inoltre parte del getto deve giungere

in prossimità degli elettrodi della candela per avere una zona di miscela

sufficientemente ricca da facilitare l’accensione della carica: risulta in tal modo

vincolata anche la posizione della candela che deve essere opportunamente posizionata

nei pressi dell’iniettore per poter essere raggiunta dallo spray.

Le principali difficoltà per la scelta della disposizione dei componenti, sono

derivate dal raffreddamento a liquido del motore, il quale ha imposto la realizzazione di

boccole a tenuta per le sedi di iniettore, candela e trasduttore di pressione e dalla

presenza dei condotti di passaggio dell’acqua di raffreddamento verso lo scambiatore

situate sulla testata, i quali riducono notevolmente lo spazio disponibile per

l’installazione della candela.

La disposizione dei componenti dell’iniezione scelta è risultata il miglior

compromesso possibile fra ingombri, posizionamenti reciproci ed inclinazioni ottimali.

77

Figura II.18 Sezione complessiva testata, iniettore e candela

Figura II.19 Vista testata, iniettore e candela montati

78

Figura II.20 Vista generale di tutto il banco prova

Il motore poteva essere alimentato ad iniezione diretta, indiretta o a

carburazione. Di conseguenza lo schema dell’impianto di alimentazione del

combustibile era piuttosto complesso.

79

Figura II.21 Schema del circuito del combustibile

80

Caratteristica meccanica del motore dì serie

Il propulsore Husqvama WR 250 presenta una caratteristica meccanica tipica

dei motori da competizione per motociclette fuoristrada; in questo caso particolare si

nota inoltre una doppia zona di erogazione della potenza massima, con un primo picco

che si assesta al regime di 8270 giri/min ed un secondo picco al regime di 9500

giri/min.

Figura II.22 Caratteristica meccanica propulsore di serie

La potenza sviluppata al regime di 8270 giri/min è di ben 43,73 cavalli, quindi

con una potenza specifica di 174,9 cavalli/litro.

La sperimentazione effettuata presso i laboratori del Politecnico di Torino non

ha come obiettivo primario la ricerca di prestazioni altrettanto esasperate, tipiche

dell’utilizzo sportivo nel campo delle competizioni, ma punta ad osservare le

caratteristiche di funzionamento dello stesso propulsore nel caso di alimentazione ad

81

iniezione diretta, ponendo particolare attenzione all’ottimizzazione dei valori di

consumo specifico e di emissioni inquinanti in condizioni di funzionamento tipiche

dell’utenza comune. Per questo motivo la sperimentazione non è stata sviluppata per

regimi superiori ai 6000 giri/min e per carichi superiori ai 2/3 del massimo carico

riscontrato con l’utilizzo del carburatore montato di serie.

Scelta dei punti di funzionamento significativi

Il funzionamento tipico dei propulsori per motociclette di media cilindrata è

caratterizzato da periodi di frequente utilizzo a regimi medio bassi e carichi variabili tra

1/3 e 2/3 del carico massimo ottenibile ad ogni regime. Nel caso dell’adozione

dell’iniezione diretta nel cilindro, inoltre, è difficoltoso garantire un corretto

funzionamento ai regimi più elevati a causa del ridotto tempo a disposizione della

carica per essere, introdotta e miscelata correttamente all’aria proveniente dal lavaggio.

Le sessioni di sperimentazione hanno dunque fatto sempre riferimento a due

situazioni tipiche:

• Il funzionamento in corrispondenza dei 2/3 del carico massimo.

• Il funzionamento in corrispondenza di una curva di regolazione cubica di

utilizzo, ottenuta facendo riferimento al punto di massima potenza erogata.

Studio dei parametri di funzionamento con iniezione diretta nel cilindro, influenza

dei parametri di iniezione nei punti di funzionamento più significativi

Il funzionamento del motore a due tempi ad accensione comandata, dotato di

alimentazione ad iniezione diretta nel cilindro, è fortemente legato alla scelta dei

parametri di iniezione impostati durante le sessioni di prova. La difficoltà di ottimizzare

questi parametri per ottenere il migliore compromesso tra emissioni nocive dei gas di

scarico, temperatura dei gas di scarico, consumo specifico di carburante, prestazioni

82

ottenibili e funzionamento regolare (evitando detonazione, preaccensione) può essere

diminuita cercando di ricavare un legame tra i parametri impostabili durante i test e il

comportamento del motore.

La prima fase di ricerca di questo legame causa-effetto è rappresentata dalla

compilazione di diagrammi riportanti gli andamenti dei parametri di regolazione in

relazione al comportamento del motore in tema di emissioni di scarico.

Il primo diagramma riportato, figura II.23, riporta i dati rilevati durante le

sessioni di prova effettuata con riproduzione dei punti corrispondenti ai 2/3 del carico

massimo; il ritardo di iniezione ed il tempo di apertura (espressi in millisecondi) sono

messi in relazione alle emissioni di CO ed HC rilevati nei gas di scarico.

Per una completa comprensione dei fenomeni rilevati è necessario riportare

anche un secondo diagramma che permetta di visualizzare il ritardo di apertura

dell’iniettore rispetto al PMI espresso in gradi; questi valori sono stati ricavati

convertendo il ritardo temporale in intervallo angolare, tenendo conto del ritardo fisso

dovuto al funzionamento delle centraline di comando e dell’inerzia dell’iniettore.

Figura II.23 Parametri di iniezione impostati ed emissioni di CO ed HC

corrispondenti

83

I due diagrammi permettono di verificare l’influenza del ritardo di apertura

dell’ iniettore e del tempo di apertura sulle emissioni di CO ed HC: nella figura II.24 in

particolare, per il regime di 4000 giri/min si nota che l’aumento del tempo di apertura

dell’iniettore (da 2,6 a 2,7 ms) e la contemporanea risalita del ritardo angolare di

apertura (da 65° a 67° DPMI) portano ad un considerevole aumento della

concentrazione di CO; la serie decrescente di concentrazione di idrocarburi incombusti

invece, sempre per il regime di 4000 giri/min, subisce un leggero rallentamento.

Per il regime di 3000 giri/min è possibile valutare immediatamente

l’inadeguatezza del ritardo angolare di 94° DPMI e del tempo di apertura, entrambi

troppo elevati; utilizzando un ritardo ango lare inferiore, pari forse a 70° ed un tempo di

apertura di 2,6 ms probabilmente si otterrebbe un abbattimento delle emissioni di HC e

un abbassamento della concentrazione di CO.

Figura II.24 Influenza della fasatura di iniezione nelle emissioni di CO

Lo stesso ragionamento può essere effettuato visualizzando i punti rilevati sulla

cubica di utilizzazione; anche in questo caso si riportano gli andamenti dei parametri

84

impostati effettivamente nella centralina di comando (espressi in millisecondi) ed il

ritardo equivalente angolare, ricavato dopo il punto morto inferiore.

Le figure II.25 e II.26 permettono di verificare l’estrema sensibilità del motore,

rispetto alle emissioni di CO, al ritardo di azionamento dell’iniettore ed al tempo di

mantenimento in regime di apertura, soprattutto in condizioni di funzionamento a basso

carico. In queste condizioni, risulta più difficile garantire la totale combustione della

carica immessa nel cilindro e quindi, per ottenere risultati facilmente conseguibili in

regime di carico elevato, è necessario avvicinare in modo estremamente preciso le

regolazioni ottimali. La figura II.25 mostra il sensibile aumento della concentrazione di

CO ai regimi di 4000 e 4250 giri/min, causati probabilmente dalla contemporanea

risalita del tempo di apertura dell’iniettore e dall’inadeguatezza del ritardo di fasatura

impostato.

Figura II.25 Parametri di iniezione impostati ed emissioni di CO ed HC

corrispondenti

Analizzando in modo più approfondito il diagramma appena presentato è

difficile interpretare l’elevata concentrazione di HC visibile al regime di 3500 giri/min;

85

una concentrazione accettabile di CO potrebbe essere interpretata come ottimo

comportamento del motore durante la fase di combustione, derivante da una corretta

regolazione del tempo di apertura dell’iniettore e da un corretto grado di apertura della

farfalla di alimentazione. La risalita della concentrazione di idrocarburi incombusti

potrebbe essere invece sintomo di un eccessivo anticipo della fase di iniezione, con la

conseguente fuoriuscita di parte della carica fresca dalle luci di scarico.

Il diagramma II.26 invece, espandendo l’andamento della concentrazione di

CO, permette di visualizzare il suo legame diretto con la fasatura di iniezione (effettiva

angolare); la risalita della concentrazione visibile a 4000 e 4250 giri/min può essere

correlata allo scostamento della fasatura dalla retta che unisce idealmente il ritardo

impostato a 3000 giri/min con quello successivamente impostato a 4750 giri/min.

Figura II.26 Influenza della fasatura di iniezione nelle emissioni di CO

Un’ultima considerazione può essere affrontata commentando l’influenza del

tempo di apertura dell’iniettore: sia nel caso di regolazione sulla cubica di utilizzazione

86

che nel caso della riproduzione dei punti a 2/3 del carico massimo, i diagrammi

indicano la necessità di mantenere una regolazione della quantità iniettata ad ogni ciclo

quasi costante al variare del regime di rotazione (pari a 2,4 millisecondi nel caso della

cubica e 2,6 millisecondi nel caso dei punti ai 2/3 del carico massimo).

Questa indicazione rivela da una parte l’estrema capacità del motore di fornire

una coppia quasi costante al variare del regime mantenendo costante la carica fornita ad

ogni fase di compressione e, dall’altra, la necessità di adottare una centralina di

comando in grado di permettere una regolazione più fine dei parametri di iniezione.

87

CAPITOLO III

Trasformazione del motore pluricilindrico quattro tempi in monocilindro due tempi

Il progetto di sviluppo del prototipo in fase di realizzazione prevede alcuni punti

cardine che hanno poi dettato la scelta del motore da utilizzare come base di partenza e

le modifiche da apportarvi.

• Come pompa di lavaggio si è deciso di adottare un compressore esterno

di tipo Roots in luogo della classica pompa di lavaggio ricavata nel

carter del motore. L’utilizzo di una pompa esterna permette l’uso di un

coefficiente di lavaggio superiore all’unità con la possibilità di una

rapida variazione dello stesso semplicemente modificando la velocità di

rotazione del motore che trascina il compressore. L’aumento del

coefficiente di lavaggio è di notevole utilità al fine di aumentare il

riempimento della camera di combustione con carica fresca e di

conseguenza le massime prestazioni raggiungibili dal motore.

• Non avendo più necessità di usare il carter come pompa è possibile

realizzare un sistema di lubrificazione degli organi meccanici del motore

molto più valida della miscelazione di una piccola percentuale d’olio

nella benzina.

• Al fine di minimizzare la miscelazione della carica fresca con i gas

combusti ed il rischio di cortocircuito della stessa allo scarico si è scelto

di realizzare il lavaggio secondo lo schema a correnti unidirezionali: tale

88

soluzione permette infatti di allontanare il più possibile le luci di scarico

da quelle di lavaggio e di avvicinarsi al lavaggio a stantuffo di gas.

Inoltre tale sistema permette una migliore distribuzione delle

temperature poiché non causa le dissimmetrie che si hanno invece nei

motori a due tempi tradizionali in cui la luce di scarico è adiacente a

quelle di lavaggio. Si è scelto l’uso di luci regolate dallo stantuffo e di

valvole a fungo del tipo usato nei motori a quattro tempi, poste nella

testata del motore. Le valvole a fungo però non permettono di ottenere le

elevate sezioni di passaggio ottenibili con le luci regolate dallo stantuffo

per cui, per non essere troppo penalizzati, si è optato per l’adozione di

un numero elevato di valvole: almeno quattro.

• Per ridurre al minimo le perdite di carburante allo scarico, che

l’adozione di un coefficiente di lavaggio piuttosto elevato renderebbe

inaccettabili, è stata scelta l’iniezione diretta del combustibile. Tale

sistema di alimentazione permette infatti di realizzare il lavaggio con

sola aria e di iniettare il combustibile quando le luci di scarico sono già

chiuse o sono in fase di chiusura. In questo modo si perde allo scarico

solo aria pura (cosa tollerabile) o, al limite, una quantità modestissima di

carburante.

Visti questi vincoli e tenendo conto delle esperienze maturate in passato si è

ricercato un propulsore di normale produzione che consentisse, con modifiche di entità

più ridotta possibile, di soddisfare tutti i requisiti.

III.1: Scelta del motore di partenza

L’esperienza maturata nella realizzazione dei prototipi precedenti ha guidato la

scelta del nuovo motore su cui effettuare la trasformazione. Si è infatti deciso di

abbandonare il motore a 4 tempi di tipo motociclistico, che presenta una serie di

problemi legati al collegamento al banco ed al gruppo frizione-cambio integrati nel

basamento. Il propulsore che si è scelto è il motore a 4 tempi Lancia 16 valvole, 4

89

cilindri in linea, 1995 cm3 di cilindrata, normalmente installato sulla vettura Thema.

Tale unità, dotata di doppio albero a camme in testa, consente di variare la durata della

fase di scarico del prototipo, oltre che l’angolo di inizio della fase di scarico.

Un problema è costituito dal fatto che per il prototipo si intende utilizzare un

solo cilindro, eliminando gli altri tre. Si è scelto di utilizzare il quarto cilindro, perché

consente di sfruttare il lato volano per praticare un foro nella testa per l’alloggiamento

della candela. Il secondo ed il terzo cilindro non offrono tale opportunità, mentre nel

primo cilindro la presenza della cinghia della distribuzione rende difficoltoso qualsiasi

accesso. Un altro limite del motore scelto è la presenza nel basamento e nella testata

delle intercapedini per il passaggio del liquido refrigerante: esse riducono il numero

delle possibili lavorazioni effettuabili e quindi delle soluzioni realizzabili. D’altro canto

il raffreddamento ad acqua è fortemente consigliato nel prototipo, nel quale la testata

(lambita totalmente dai gas di scarico) è più sollecitata termicamente rispetto al motore

originale.

Sono quindi stati eliminati stantuffi e bielle relativi ai tre cilindri non utilizzati e

gli accessori non più necessari; cioè compressore del climatizzatore, pompa

dell’idroguida, pompa del refrigerante, alternatore ed alberi controrotanti. Tutti questi

accessori avrebbero comportato un aumento della pressione di marcia a vuoto, in più

avrebbero ostacolato col loro ingombro fisico la realizzazione delle modifiche al

motore.

III.2: Lavaggio unidirezionale e realizzazione delle luci

La schema di lavaggio che si decise di utilizzare per l’attuale prototipo è quello

unidirezionale. Tale soluzione è abbastanza inconsueta nel panorama dei tradizionali

motori a 2 tempi ad accensione comandata: in questi, per privilegiare la semplicità

costruttiva e quindi il basso costo, si opta per il lavaggio a correnti ripiegate che

consente di non impiegare valvole a comando meccanico. Nel caso del prototipo in

esame, invece, poiché si ha come obiettivo l’ottimizzazione della fase di lavaggio, che

è il primo passo verso la riduzione delle emissioni inquinanti, è giustificata la scelta del

90

lavaggio unidirezionale. Esso garantisce maggiore efficacia rispetto al lavaggio a

correnti ripiegate ed anche una certa simmetria assiale nella distribuzione delle

temperature lungo il cilindro. Lo studio dell’interazione delle correnti di lavaggio che

fuoriescono dalle varie luci di lavaggio nel caso di lavaggio a correnti ripiegate è

piuttosto complicato e difficilmente si riesce a scongiurare il pericolo di cortocircuito di

carica fresca allo scarico. Il lavaggio unidirezionale trova larga applicazione nei motori

a 2 tempi stazionari navali (che sono ad accensione per compressione), in questo caso

la corrente di lavaggio si muove assialmente nel cilindro senza subire inversioni del

moto ed il suo comportamento può essere assimilato a quello teorico dello “stantuffo di

gas”.

Il lavaggio unidirezionale praticabile in un motore a 2 tempi ad accensione

comandata può essere realizzato nei due modi rappresentati nelle figure III.1 e III.2:

Figura III.1 Lavaggio unidirezionale ascendente

91

Figura III.2 Lavaggio unidirezionale discendente

Il lavaggio unidirezionale ascendente ha lo svantaggio di sollecitare

termicamente la testa e le valvole adibite allo scarico, con la formazione di punti caldi

che potrebbero innescare fenomeni di preaccensione e denotazione. Tale inconveniente

può essere superato raffreddando adeguatamente la testa.

Il lavaggio unidirezionale discendente sollecita termicamente la zona basale del

cilindro, dove si trovano le luci di scarico; questo fatto può portare al grippaggio dello

stantuffo.

La soluzione scelta per il prototipo in esame è il lavaggio unidirezionale

ascendente. Poiché il motore originale era a 4 tempi, sono state realizzate “ex novo”

due luci di lavaggio nel cilindro, opposte tra loro, mentre sono stati progettati e

realizzati i condotti di lavaggio in modo da risolvere il problema dell’intercapedine del

liquido refrigerante. L’ultimo tratto dei condotti di lavaggio presenta un’inclinazione di

92

96° rispetto all'asse dei cilindro, in modo da imprimere alla corrente di lavaggio una

leggera componente assiale ascendente. A questo proposito occorre precisare che è

bene non esagerare con l’inclinazione perché si rischia di aumentare eccessivamente la

zona d’ombra sul cielo dello stantuffo che non viene lambita e quindi lavata (figura

III.3).

Figura III.3 Porzione della camera di combustione non lavata dal flusso di carica fresca

La realizzazione dei condotti è risultata difficoltosa perché questi, per

raggiungere le luci, devono attraversare l’intercapedine del liquido refrigerante.

Pertanto è stato necessario realizzare un condotto interno ed uno esterno in modo da

permettere la dilatazione assiale del condotto interno verso l’esterno del cilindro.

Inoltre è stata realizzata una doppia tenuta: tra condotto interno e camicia e tra condotto

esterno e camicia.

93

Poiché il basamento del motore è di ghisa il suo comportamento è fragile e mal

sopporta le dilatazioni termiche indotte dalla saldatura dei condotti. Per evitare la

formazione di cricche il basamento è stato preriscaldato uniformemente in un forno e

l’operazione di saldatura è stata condotta con un elettrodo di ghisa. Le porosità

caratteristiche di tale saldatura furono eliminate con un riporto galvanico in nickel.

Essendo la lunghezza alla corda della luce notevole (50 mm), è stato necessario

introdurre e saldare in ciascuna luce due inserti che consentono di guidare gli anelli

elastici dello stantuffo evitando la loro espansione all’interno della luce durante il

passaggio.

Figura III.4 Disegno del collettore interno di ammissione

E’ stata infine condotta un’alesatura del quarto cilindro portando l’alesaggio

dagli 84 mm originali a 86 mm (la cilindrata è passata da 498.76 cm3 a 522.79 cm3) ed

è stato effettuato un accurato controllo dimensionale e di forma del cilindro.

Il nuovo alesaggio sarebbe dovuto essere di 85 mm, ma poiché la ditta Mondial

Piston, cui era stato affidato l’incarico di produrre il nuovo stantuffo, col mantello di

lunghezza tale da chiudere le luci durante l’intera corsa, era in possesso di uno stampo

avente un alesaggio di 86 mm, al fine di contenere i costi si optò per quest’ultimo

valore.

94

Figura III.5 Sezione trasversale del basamento con i condotti di ammissione

95

III.3: Stantuffo

Al pari dei motori a due tempi di tipo tradizionale, per il prototipo si è dovuto

realizzare uno stantuffo con mantello di lunghezza pari alla sua corsa più alcuni

millimetri. Ciò è dovuto alla necessità di coprire le luci di lavaggio quando lo stantuffo

è al punto morto superiore: il rischio è di perdere buona parte dell’aria di lavaggio

all’interno del carter del basamento dove, durante il funzionamento è presente una

densa nebbia d’olio.

La possibilità di ricavare il nuovo stantuffo da uno stampo già disponibile

presso la Mondial Piston ha portato alla scelta dell’alesaggio definitivo del pistone di

86 mm. L’aumento di diametro rispetto all’originale è stato di 2 mm, valore superiore

rispetto a quanto necessario all’eliminazione delle deformazioni dovute alla saldatura

delle luci di lavaggio.

La presenza, durante il funzionamento, di una fitta nebbia d’olio nel carter del

motore ha reso necessaria anche la presenza di un terzo anello elastico raschiaolio oltre

ai due anelli di tenuta. Alcuni fori sul mantello del pistone in corrispondenza della sede

dell’anello raschiaolio potrebbero provvedere a far confluire nel carter l’olio asportato

dall’anello stesso ma per ora non sono stati realizzati. Onde evitare che la

corrispondenza del taglio di espansione degli anelli di tenuta con le luci di lavaggio

possa creare dei fenomeni di “impuntamento”, è stato necessario orientare

opportunamente gli anelli stessi ed impedirne l’accidentale rotazione mediante spine

inserite nella loro sede.

Per favorire lo scorrimento dello stantuffo nel cilindro nelle prime fasi di

funzionamento è stato depositato un riporto di grafite sul mantello dello stantuffo.

96

Figura III.6 Stantuffo e spinotto

Dopo il montaggio dell’insieme albero motore - biella - stantuffo è stata

riscontrata, durante la rotazione, l’interferenza tra mantello dello stantuffo e due

nervature di irrigidimento del basamento motore causata dalla maggiore altezza dello

stantuffo rispetto al modello originale. Per tale motivo, non potendo modificare il

basamento per motivi pratici di realizzazione, è stato necessario asportare in due punti

del pistone parte del mantello.

III.4: Equilibramento

Scopo dell’equilibramento è rendere minime le variazioni delle sollecitazioni

trasmesse dal motore ai supporti e con esse le vibrazioni. Per avere un completo

equilibramento si dovrebbero garantire la costanza della coppia motrice, la costanza

della somma dei momenti delle forze alterne e di quelle centrifughe e la costanza della

somma delle forze alterne e centrifughe, così da garantire, rispettivamente, la costanza

97

della componente del momento trasmesso dal motore ai supporti intorno all’asse

dell’albero motore, di quella intorno ad un asse normale a quello dell’albero motore,

posto in un piano orizzontale, e della componente verticale delle reazioni trasmesse ai

supporti.

Non è in realtà possibile ottenere un andamento della coppia motrice costante

nel tempo. La si può solo regolarizzare, tanto più quanto più numerosi sono i cilindri,

per cui nel caso presente di motore monocilindrico ci si trova nelle condizioni più

sfavorevoli. Per assicurare l’annullamento della risultante delle forze centrifughe, reso

possibile dalla disposizione delle manovelle del quadricilindro di partenza secondo la

regola dello sfasamento uniforme dei cicli, essendosi modificata l’ottava maschetta per

evitare l’interferenza col nuovo stantuffo si è reso necessario intervenire anche sulla

prima, sulla quarta e sulla quinta. Sempre allo scopo di annullare la risultante delle

forze centrifughe sono stati fissati alle tre manovelle libere degli anelli d’acciaio,

ciascuno di massa pari a quella equivalente della biella considerata concentrata nel

perno di manovella. In questo modo il momento risultante delle forze centrifughe

rimase automaticamente nullo, essendo le manovelle disposte simmetricamente rispetto

al piano perpendicolare all’asse dell’albero a gomiti e passante per la sua mezzeria.

Non è invece possibile equilibrare in modo semplice le forze alterne d’inerzia,

avendo a che fare con un motore monocilindrico. Una verifica ha permesso comunque

di accertare che i supporti dell’albero sono in grado di sopportare le forze alterne non

equilibrate.

III.5: Apparato di distribuzione

Nella trasformazione del motore originale da quadricilindrico a 4 tempi in

monocilindrico a 2 tempi, l’apparato della distribuzione è stato adeguato alle nuove

condizioni di funzionamento. Possiamo così sintetizzare le modifiche:

98

• nel prototipo a 2 tempi le quattro valvole sono utilizzate tutte come valvole di

scarico, mentre nel motore originale due valvole sono di scarico e due di

aspirazione. Per questo motivo sono state realizzate due nuove valvole di ex-

aspirazione, geometricamente identiche a quelle del motore originale, ma di

materiale ( acciaio UNI X45 Cr Ni W 1909 ) adatto a sopportare le maggiori

sollecitazioni termiche che la fase di scarico comporta

• la contemporanea apertura delle quattro valvole del prototipo ha indotto a

ridisegnare l’albero a camme di scarico del motore originale, al fine di evitare

l’interferenza tra i punti più prossimi delle valvole di ex-scarico e quelle di ex-

aspirazione. La descrizione del procedimento seguito per trovare il profilo della

nuova camma di scarico ed i calcoli relativi alla verifica dell’interferenza sono

riportati e commentati nelle tesi di Allari [3] e Germano [5]

• nel motore a 2 tempi gli alberi a camme ruotano alla stessa velocità angolare

dell’albero motore, mentre nel motore originale ruotano a velocità dimezzata: è

stata pertanto adottata una nuova puleggia di comando della distribuzione,

dotata di un numero di denti uguale a quello delle pulegge montate sugli alberi a

camme. Il maggiore ingombro della puleggia montata sull’albero motore ha

creato problemi di interferenza con il basamento di conseguenza è stato

necessario spostare assialmente le tre pulegge della distribuzione inserendo

delle prolunghe

• nel prototipo a 2 tempi sono stati eliminati gli alberi di equilibramento a causa

dell’ingombro aggiuntivo dei condotti di lavaggio; la cinghia di trasmissione

presenta pertanto un percorso completamente diverso. Sono stati quindi adottati

3 “galoppini” al fine di regolare in modo continuo non solo la fasatura dei due

alberi a camme rispetto all’albero motore, ma anche la fasatura relativa dei due

alberi a camme.

99

Il diagramma della distribuzione

Il diagramma inizialmente calcolato della distribuzione del prototipo è riportato

in figura III.7:

Figura III.7 Diagramma della distribuzione iniziale

La determinazione di tale diagramma è il risultato del modello di simulazione

realizzato da Camoriano nella sua Tesi di Laurea [2]. Come si evince da tale

diagramma, la fase di scarico ha una durata di 130° e non è simmetrica rispetto al PMI

come invece accade nei 2 tempi “tradizionali” con la luce di scarico controllata dal

pistone. Nel nostro prototipo gli alberi a camme preposti al comando delle valvole di

scarico possono essere sfasati rispetto all’albero motore (variando quindi l’inizio della

fase di scarico) e l’uno rispetto all’altro (variando la durata complessiva della fase di

scarico).

100

L’albero a camme di ex-aspirazione presenta le camme relative al quarto

cilindro del tutto identiche a quelle del motore originale, esse hanno un angolo di

lavoro pari a 120°. Le camme relative agli altri cilindri sono invece state tornite ad un

diametro inferiore a quello del cerchio di base al fine di evitare inutili strisciamenti.

L’albero a camme modificato, in quanto realizzato a partire da un albero a camme

originale, presenta anch’esso un angolo di lavoro di 120°.

Figura III.8 Alberi a camme montati: si osservano i differenti profili e la zona

cilindrica in corrispondenza delle valvole non utilizzate

Dal momento che i calcoli relativi alla possibile interferenza tra le valvole di ex-

aspirazione e di scarico riportati nelle tesi di Allari [3] e Germano [5] sono stati fatti

ipotizzando la contemporanea apertura delle quattro valvole di scarico, è chiaro che la

durata della fase di scarico scende dai 130° ottimali a 120°. Per coprire una durata di

130° sarebbe necessario far aprire prima le due valvole ex-aspirazione (a 100° DPMS)

e 10° dopo le due valvole di scarico (a 110° DPMS) in modo che le prime si chiudano a

220° DPMS e le seconde a 230° DPMS.

101

Figura III.9 Disposizione valvole: si evince il rischio di contatto in caso di apertura

contemporanea

In alternativa si potrebbero far aprire prima le valvole di scarico e poi le valvole

di ex-aspirazione: la scelta va fatta tenendo presente che nel primo caso si hanno

maggiori sezioni di passaggio all’inizio della fase di scarico mentre nel secondo caso si

hanno maggiori sezioni di passaggio a fase di scarico inoltrata. Si è deciso tuttavia di

adottare, almeno inizialmente, una fase di scarico della durata di 120° con inizio a 100°

DPMS e con apertura simultanea delle valvole di ex-aspirazione e scarico. Pertanto il

diagramma della distribuzione definitivo del prototipo è riportato in figura III-10:

102

Figura III.10 Diagramma della distribuzione finale

Scelta del punto del ciclo rispetto al quale fare la fasatura

Per realizzare la fasatura prestabilita, in modo da ottenere una fase di scarico

come quella riportata nel diagramma della distribuzione, occorre posizionare e bloccare

gli alberi a camme e l’albero motore in un certo punto del ciclo, quindi si calza la

cinghia di distribuzione sulle pulegge ed infine si agisce sui galoppini per tendere la

cinghia. La scelta del punto del ciclo rispetto al quale fasare gli alberi a camme è del

tutto arbitraria: inizialmente si è scelto il punto del ciclo in corrispondenza del quale le

quattro valvole iniziano ad aprirsi, cioè 100° dopo il PMS. Tale scelta si rivela tuttavia

poco pratica perché la determinazione dell’incipiente apertura delle valvole è piuttosto

difficile da percepire dal momento che l’arco di lavoro della camma è raccordato al

cerchio di riposo mediante un arco nel quale l’accelerazione è nulla e l’alzata

estremamente piccola.

103

Si è allora deciso di assumere come punto caratteristico del ciclo quello in

corrispondenza del quale le valvole di ex-aspirazione hanno un’alzata prestabilita,

precisamente 0.5 mm. Osservando il diagramma delle alzate dell’albero a camme di ex-

aspirazione si evince che in corrispondenza di tale alzata la camma è in un tratto ad

accelerazione positiva nel quale per piccoli angoli di rotazione dell’albero a camme si

hanno considerevoli spostamenti della valvola. In altre parole, al fine di minimizzare le

imprecisioni, si è scelto un punto del ciclo nel quale la legge delle alzate delle valvole

di ex-aspirazione è sensibile alle piccole rotazioni dell’albero a camme. Consultando le

tabelle relative al calcolo della possibile interferenza tra le valvole di ex-aspirazione e

quelle di scarico si nota che tale punto del ciclo si trova a 5.5° dopo l’inizio

dell’apertura delle valvole di ex-aspirazione, quindi a 105.5° dopo il PMS. In

corrispondenza di tale punto, sempre facendo riferimento alle suddette tabelle, si ricava

che l’alzata delle valvole di scarico è di 0.238 mm. A questo punto si hanno tutti gli

elementi per procedere alla fasatura.

Realizzazione della fasatura e montaggio testa

Innanzitutto sono stati alloggiati gli alberi a camme e montati i relativi supporti

avendo cura di rispettare le posizioni del motore originale e di collocare nella posizione

corretta i condotti dell’olio lubrificante. Quindi si sono montate le pulegge ed i relativi

distanziali, inserendo le quattro spine di riferimento (si ricorda che una spina va posta

tra l’albero a camme ed il distanziale, l’altra tra il distanziale e la puleggia). A

proposito di queste spine, occorre precisare che esse non assolvono la funzione di

trasmettere il moto (funzione che viene assolta dall’attrito esistente tra albero,

distanziale e puleggia generato dalla forza normale conseguente alla coppia di serraggio

del bullone di fissaggio della puleggia ) ma hanno il solo compito di costituire un

riferimento per eventuali smontaggi futuri in modo da rimontare la puleggia nella stessa

posizione relativa all’albero a camme. Si è quindi proceduto a serrare i bulloni di

fissaggio delle pulegge agli alberi a camme secondo la coppia prescritta dal manuale

Lancia, cioè 120 Nm.

104

Per misurare le alzate delle valvole con sufficiente precisione si è utilizzato un

comparatore centesimale; tuttavia non potendo tastare direttamente la pastiglia del

bicchierino a causa della presenza ingombrante dell’albero a camme, è stato necessario

rimuovere la testata dal basamento in modo da posizionare il tastatore del comparatore

direttamente a contatto con il fungo della valvola. Per portare nella posizione corretta

(105.5° DPMS) l’albero a camme di ex-aspirazione l’asse del comparatore è stato reso

parallelo con quello della bancata di valvole di ex-aspirazione, quindi si è portato il

tastatore a contatto con il fungo di una delle due valvole di ex-aspirazione e si è

azzerato il comparatore in corrispondenza della posizione di riposo della valvola. Per

verificare l’esatta posizione dello zero è stato ruotato l’albero a camme per alcuni giri e

si è colta l’occasione per misurare l’alzata effettiva delle valvole di ex-aspirazione, pari

a 8.82 mm (si ricorda che l’alzata teorica era di 8.97 mm).

Quindi si è ruotato l’albero a camme di ex-aspirazione fino a misurare un’alzata

di 0.5 mm indicata dal comparatore; si è poi bloccato l’albero a camme in tale

posizione, semplicemente inserendo un foglietto di carta sotto ad uno dei supporti

dell’albero a camme e serrando i due bulloni che agiscono su tale supporto.

La stessa procedura è stata seguita per posizionare l’albero a camme di scarico:

l’asse del comparatore è stato reso parallelo a quello della bancata di valvole di scarico,

quindi è stato azzerato in corrispondenza della posizione di riposo di una delle due

valvole di scarico. Si è misurata un’alzata reale delle valvole pari a 4.52 mm (l’alzata

teorica era di 4.6 mm) e si è bloccato l’albero a camme nella posizione che fornisce

un’alzata di 0.238 mm indicata dal comparatore.

E’ stata inoltre realizzata una lamiera, da fissare ai bulloni di sostegno dei due

galoppini posti tra le pulegge calettate sugli alberi a camme, riportante il riferimento

fisso che in corrispondenza del punto caratteristico (105.5° DPMS) deve risultare

allineato ai riferimenti mobili tracciati sulle pulegge dei due alberi a camme. In questo

modo è possibile ritrovare la posizione corretta dei due alberi a camme senza dover

smontare la testata dal basamento per posizionare il comparatore.

105

Il passo seguente è stato il montaggio del distanziale e della puleggia di

comando della distribuzione sull’albero motore, avendo cura di montare la linguetta tra

albero motore e distanziale (tale linguetta assolve la funzione di trasmettere il moto) e

la spina di riferimento tra distanziale e puleggia (come detto in precedenza la spina non

ha invece il compito di trasmettere il moto). Si è quindi serrato a 180 Nm il bullone di

fissaggio della puleggia di comando della distribuzione montata sull’albero motore.

Si è poi affrontato il problema di posizionare l’albero motore in corrispondenza

del punto caratteristico (105.5° DPMS). Con l’ausilio del comparatore centesimale,

questa volta ponendo il tastatore a contatto con il cielo dello stantuffo, si è ricercato il

PMS e si è montato un goniometro metallico sulla puleggia di comando della

distribuzione avendo grande cura nel posizionare lo zero del goniometro in

corrispondenza del PMS.

La lettura degli angoli sul goniometro va fatta rispetto ad un riferimento fisso

realizzato in lamiera da montare alla sinistra della puleggia della distribuzione. Si è

quindi fatto ruotare l’albero motore in senso orario (guardando il motore dal lato della

distribuzione) fino a raggiungere i 105.5° letti sul goniometro; infine si è bloccato

l’albero motore in questa posizione con l’ausilio di pinze strette sul volano.

106

Figura III.11 Vista del lato distribuzione

Tra le nuove guarnizioni della testata che sono state fatte realizzare

(differiscono dall’originale perché presentano un solo foro in corrispondenza del quarto

cilindro e di diametro maggiorato per il nuovo alesaggio ) è stata selezionata quella con

il foro per il cilindro più centrato rispetto alle due spine di riferimento.

107

Figura III.12 Guarnizione testata

Quindi è stata riposizionata la testata sul basamento, ponendo attenzione alle

due spine di centraggio. Sono stati quindi preparati i bulloni di fissaggio della testata e

si è proceduto al serraggio seguendo le indicazioni del manuale Lancia del motore

originale.

Il serraggio va fatto in tre passi:

1. si accostano tutti i bulloni, con una certa coppia seguendo la sequenza indicata

nel manuale

2. si serrano i bulloni ad un nuovo valore di coppia seguendo la solita sequenza

3. si effettua un’ulteriore rotazione di 180° per ogni bullone da compiere in due

passi da 90° sempre rispettando la sequenza

108

Cinghia di distribuzione

La cinghia dentata montata sul prototipo è del tipo PowerGrip semplice e

rispetto a quella montata sul motore originale è più lunga e più larga. Si può infatti

asserire che la coppia assorbita dagli alberi a camme del prototipo a 2 tempi è prossima

a quella assorbita dagli alberi del motore originale e varia con un periodo diverso. Ci

teniamo quindi un certo margine di sicurezza con una cinghia sovradimensionata.

Allentati i bulloni di fissaggio dei tre galoppini è stata calzata la cinghia sulle tre

pulegge della distribuzione e si è proceduto a tendere la cinghia. Per eseguire questa

operazione con una certa comodità è stata costruita un’apposita chiave che permette di

ruotare i galoppini attorno al foro eccentrico.

Carter di protezione della cinghia di distribuzione

Per motivi di sicurezza tutte le parti mobili del motore devono essere protette

onde evitare che durante il funzionamento al banco, in caso di rottura di un organo

rotante, vengano colpite le persone che stazionano nelle vicinanze.

E’ stato quindi realizzato un nuovo carter per coprire la cinghia, i galoppini e le

pulegge della distribuzione non solo per motivi di sicurezza ma anche per proteggere la

cinghia dentata dalla sporcizia esterna. Questo aspetto non è di secondaria importanza

in quanto il danneggiamento della cinghia può provocarne la rottura con conseguenze

catastrofiche per il motore. Il carter è costituito da lamiera dello spessore di 1.5 mm e

viene fissato al motore con 4 bulloni ed altrettanti distanziali, sfruttando dei fori filettati

preesistenti nel basamento e nella testata. Sono poi state costruite 4 staffette per evitare

eccessive vibrazioni della lamiera. Sempre allo scopo di irrigidire il carter sono state

saldate al piano del carter due rinforzi disposti a T. Il carter e le staffette sono poi state

verniciate a forno con una vernice antirombo con proprietà fonoassorbenti.

109

Figura III.13 Carter di protezione distribuzione

III.6: Apparato di accensione

Il dispositivo di accensione montato sul prototipo è di tipo elettronico ed utilizza

componenti standard automobilistici assieme a centraline realizzate appositamente per

questa applicazione.

Si è scelta questa soluzione per poter variare con ampio margine il valore di

anticipo. Tuttavia proprio questi strumenti realizzati ad hoc si sono rivelati fonte di

problemi di messa a punto.

110

Il sistema di accensione può essere così schematizzato:

Figura III.14 Schema del dispositivo di accensione

Sul lato volano del motore è presente una staffa che permette di sostenere un

pick-up magnetico, il cui elemento sensibile viene a trovarsi affacciato ad una

protuberanza imbullonata al volano stesso, nel momento in cui l’albero motore si trova

111° prima del PMS. Quando la protuberanza passa in corrispondenza dell’elemento

sensibile viene emesso dal pick-up un segnale che giunge alla centralina di comando,

alla quale perviene anche il segnale dell’encoder. Quest’ultimo è uno strumento che

fornisce un segnale caratterizzato da trecentosessanta picchi al giro, cosicché la

distanza tra due picchi successivi corrisponde alla rotazione di 1° del suo albero. Esso è

stato collegato tramite un giunto elastico all’albero del freno, il quale ruota in ogni

istante alla stessa velocità dell’albero motore, essendo tra i due interposto un doppio

giunto cardanico.

111

Nelle precedenti fasi dello studio del prototipo si era fissato come posizione del

pick-up 87° prima del PMS. Nella realtà è impossibile realizzare questa posizione con

gli attacchi disponibili sulla periferia del volano. Pertanto si è scelto un nuovo valore di

111° appunto che approssima più da vicino il valore di 87°.

Di conseguenza sulla centralina va impostato il massimo valore per la posizione

del pick-up prima del PMS cioè 99° però il pick-up si trova ancora prima di una

dozzina di gradi. I conti relativi all’anticipo sono quindi leggermente complicati dalla

necessità di tenere conto mentalmente di questi gradi in più. Per ovviare a questo

problema si potrebbe realizzare un nuovo dentino opportunamente sagomato da fissare

al volano che consentirebbe di rientrare nel limite dei 99°.

Sulla centralina è impostabile manualmente il ritardo, da 1° a 99°, con cui si

vuole far scoccare la scintilla rispetto al momento in cui arriva il segnale del pick-up.

Così ad ogni ciclo la centralina, ricevuto tale segnale, prima di inviare alla centralina

Bosch il segnale di comando, attende di aver contato tanti impulsi provenienti

dall’encoder quanti sono i gradi di ritardo impostati. Il segnale in uscita dalla centralina

Bosch interrompe l’alimentazione del circuito primario della bobina, determinando

l’eccitazione del circuito secondario ed il conseguente scoccare della scintilla.

In realtà la scintilla scocca sempre in ritardo rispetto al momento voluto a causa

di ineliminabili ritardi nella trasmissione dei segnali dal pick-up alla centralina e da

questa, attraverso la centralina Bosch, alla bobina. Questo costringe dunque ad

anticipare il segnale di comando per far sì che l’accensione della miscela avvenga

quando effettivamente desiderato.

Nel corso dell’evoluzione del prototipo sono state effettuate diverse modifiche

al sistema di accensione: dalla nuova posizione del pick-up sino ad un intervento di

riparazione delle centraline ad opera dei tecnici della Mect che hanno anche variato

leggermente i circuiti elettronici contenuti nelle apparecchiature. Pertanto sono variate

le condizioni del sistema. Tuttavia le considerazioni ed i calcoli effettuati nelle fasi

112

precedenti della ricerca per determinare l’entità di questi ritardi possono essere ritenuti

ancora validi.

Infatti allo scopo di valutare tali ritardi sono stati fatti compiere al motore alcuni

giri, trascinandolo col motorino di avviamento, visualizzando su di un oscilloscopio il

segnale inviato dalla centralina alla centralina Bosch e quello mandato dalla bobina alla

candela.

Dagli studi effettuati nella fase precedente al presente lavoro si può concludere

che il ritardo con cui scocca la scintilla rispetto al momento desiderato è somma di due

termini:

• Il primo corrisponde all’intervallo di tempo che intercorre tra il momento in cui

il segnale del pick-up assume il valore intermedio tra quelli dei picchi e quello

in cui viene raggiunto il picco negativo. Tale ritardo è costante in termini

angolari, perciò variabile in termini temporali al variare della velocità del

motore; esso risulta valere circa 1,3°.

• Decisamente più rilevante è il secondo termine, corrispondente al periodo

compreso tra il fronte di salita e quello di discesa del segnale della centralina,

durante il quale il segnale rimane alto. Questo ritardo è costante in termini

temporali, in quanto dipendente dalla sola centralina, quindi in termini angolari

varia linearmente con la velocità del motore.

L’andamento del ritardo complessivo in termini angolari, diagrammato [6] in

figura III.15, risulta perciò crescente all’aumentare della velocità angolare.

113

Figura III.15 Andamento del ritardo della scintilla rispetto al momento impostato

Posizionamento della candela

L’obbligo di alloggiare l’iniettore nel foro tra le quattro valvole ha implicato la

necessità di sistemare la candela nel foro laterale, originariamente realizzato per

accogliere l’iniettore.

A causa delle sue eccessive dimensioni è stata scartata la possibilità di utilizzare

la candela originale, dal momento che la parte terminale del foro non poteva essere

sufficientemente allargata, per non asportare materiale dalla superficie piana a contatto

con la guarnizione.

Al suo posto si è scelto di adottare la candela Champion G63. Per permetterne

l’inserimento nella sede si è comunque dovuto provvedere a tornire l’estremità filettata

della candela ed ad alesare la parte terminale del foro. Si è inoltre realizzata una

114

boccola in rame, filettata sia internamente sia esternamente in maniera da poterla

avvitare nella testata dopo avervi avvitato la candela. La tenuta è assicurata da un

anello in rame interposto tra la boccola e la candela su cui quest’ultima fa battuta.

La posizione defilata della candela fa sì che il percorso che il fronte di fiamma

deve compiere sia piuttosto lungo, aumentando dunque il rischio di detonazione

durante il funzionamento. Per ridurre tale rischio si potrebbe ricorrere ad una seconda

candela, sistemata in posizione opposta alla prima, così da dimezzare la distanza che

deve essere coperta dal fronte di fiamma perché venga raggiunta tutta la massa di gas.

E’ stata valutata una possibile posizione per una seconda candela: l’attuabilità di tale

soluzione dipende dalla possibilità di eseguire con la precisione richiesta il foro

inclinato e la superficie piana su cui il distanziale, nel quale andrebbe avvitata la

candela, dovrebbe fare battuta. Entrambe le lavorazioni sono difficili per il forte rischio

di raggiungere la guarnizione interposta tra testata e basamento, data l’esiguità dello

spessore a cui ci si dovrebbe ridurre. Sono state testate anche candele con elettrodi

particolarmente lunghi originariamente pensate per motori a carica stratificata.

Figura III.16 Sezione della testa con due candele

115

III.7: Apparati di alimentazione e scarico

L’apparato di aspirazione adottato può essere così schematizzato:

Figura III.17 Schema dell’apparato di alimentazione

L’apparato inizia con un condotto circolare che porta al gruppo farfallato.

Questo è impiegato per la regolazione dell’aria di lavaggio per laminazione

all’aspirazione del compressore. Si utilizza un componente standard del gruppo Fiat.

In prossimità del gruppo farfallato originale è presente un foro che ospita

l’arrivo del condotto di blow-by. Infatti nel motore originale questo condotto

permetteva di recuperare la miscela sfuggita dal cilindro attraverso le fasce elastiche

prelevando il contenuto di gas nel carter e riportandolo all’ambiente di aspirazione

dopo un passaggio in un separatore centrifugo per recuperare le particelle d’olio in

sospensione. Nel prototipo si è deciso di far confluire questo condotto direttamente

all’aspiratore dei gas di scarico per non falsare le misure delle emissioni inquinanti. Di

conseguenza il foro in prossimità del corpo farfallato è stato tappato.

Dopo la valvola a farfalla è posizionato il compressore Roots, posto in rotazione

da un motore elettrico trifa se comandato da un convertitore di frequenza. Grazie a

116

questa soluzione si può agevolmente variare la velocità di rotazione del compressore in

maniera del tutto indipendente da quella del motore, l’inverter consente infatti una

regolazione continua della velocità del motore elettrico e si può anche superare la

velocità nominale. Si è scelto di non collegare direttamente il compressore all’albero a

gomiti anche per ridurre la potenza assorbita da parte degli accessori.

Figura III.18 Compressore Roots e relativo motore, gruppo di by-pass e tubazioni

All’uscita del compressore l’aria attraversa due collettori di sezione squadrata

sino a giungere in un secondo gruppo farfallato dotato di valvola di by-pass da

impiegarsi per la regolazione mediante riflusso. Questo secondo gruppo di regolazione

non viene utilizzato in questa fase di sviluppo del prototipo pertanto è bloccato nella

posizione di completa apertura e si possono ritenere trascurabili gli effetti della sua

presenza. I collettori in lamiera presentano una forma così strana per permettere il

collegamento di luci di dimensioni e forme estremamente diverse.

117

Figura III.19 Gruppo farfallato, compressore Roots, gruppo di by-pass e tubazioni

Successivamente il condotto presenta una biforcazione necessaria per

raggiungere entrambe le luci di lavaggio poste ai lati del motore. La parte terminale di

questi condotti è realizzata con dei tubi in gomma telata: questi assicurano una certa

flessibilità del sistema ed hanno permesso la creazione di forme e curvature complesse

senza ricorrere a particolari rigidi più difficili da progettare e realizzare.

Questa serie di condotti posti tra motore e compressore, unitamente al gruppo di

by-pass svolgono anche l’importante funzione di capacità intermedia. Questa permette

di attenuare le variazioni che si avrebbero nella pressione dell’aria di lavaggio a causa

delle diverse frequenze tra Roots e motore e dalla mancanza di accordatura dei due

cicli. Germano [5] ha calcolato che il volume minimo necessario è di 4 dm3, l’insieme

dei condotti misura circa 4,48 dm3 quindi rispetta ampiamente questa condizione.

118

Compressore Roots

Il compressore utilizzato nel prototipo è un volumetrico Roots a due lobi

impiegato su vetture sovralimentate Fiat e Lancia. Una coppia di ingranaggi garantisce

la rotazione sincrona dei due rotori che si trovano molto vicini uno all’altro (0,10-0,15

mm) per garantire una buona efficienza alla macchina. La lubrificazione è garantita da

una piccola quantità di olio a perdere contenuta in un serbatoio calettato direttamente

sul corpo del compressore. L’involucro esterno è ampiamente alettato per consentire un

efficiente smaltimento del calore generato e per irrigidire la struttura viste le

strettissime tolleranze costruttive impiegate.

Il collegamento tra albero del compressore ed albero del motore elettrico è

realizzato con rapporto di trasmissione unitario ed è garantito da un giunto

semielastico.

Figura III.20 Trasparenza del compressore volumetrico Roots

119

Con riferimento alla figura III.20 si può osservare:

1. Rotori a lobi

2. Ingranaggi elicoidali di comando degli alberi dei rotori

3. Puleggia di presa del moto dal motore

4. Alettatura per il raffreddamento

Il sistema di regolazione per laminazione all’aspirazione che potrebbe apparire

un azzardo è in realtà la soluzione comunemente impiegata nelle vetture regolarmente

in produzione dotate di questo compressore. Di conseguenza dovrebbero essere minimi

i trafilamenti di lubrificante dovuti alla depressione nell’ambiente di aspirazione.

Numero lobi per rotore 2

Cilindrata di una camera 282,5 cm3

Cilindrata totale 1130 cm3

Velocità nominale del motore elettrico 1420 giri/min

Rapporto di compressione 1,3

Coefficiente di lavaggio 1,4

Figura III.21 Dati di targa del compressore roots

120

Con l’adozione di questo compressore si può garantire al motore un coefficiente

di lavaggio superiore all’unità: di circa 1,4. Si utilizza un rapporto di compressione di

1,3.

Nelle figure III.22-23-24 sono riportate le curve caratteristiche del compressore

Roots relative alla potenza assorbita, al rapporto di compressione, al regime di

rotazione, al rendimento volumetrico ed al coefficiente di riempimento.

Figura III.22 Caratteristica della potenza assorbita in funzione del rapporto di

compressione per diverse velocità di rotazione

121

Figura III.23 Caratteristica del rendimento volumetrico in funzione del rapporto di compressione al variare del regime di rotazione

Figura III.24 Caratteristica del coefficiente di riempimento in funzione del regime di rotazione al variare del rapporto di compressione

122

Apparato di scarico

I condotti di scarico sono relativamente semplici in quanto non sfruttano le onde

di pressione dei gas combusti come viene invece usualmente fatto sui motori a due

tempi tradizionali. Il prototipo ha 4 valvole di scarico in testa: pertanto i condotti di

scarico sono inizialmente due e partono dal lato ex-aspirazione e dal lato ex-scarico in

corrispondenza del quarto cilindro. Il primo tratto all’uscita dalla testata è costituito da

due tronchetti in acciaio inox, con le estremità flangiate, che realizzano una curva di

90°. In questo tratto è alloggiato il sensore di temperatura dei gas di scarico. Si è deciso

di orientare le due curve verso il lato distribuzione perché tale disposizione dei condotti

non ostruisce l’accesso al foro centrale nel quale è stato alloggiato l’iniettore ed a

quello laterale nel quale è stata montata la candela. Si può così intervenire sull’iniettore

e sulla candela senza dover rimuovere altri componenti dal motore.

Alle estremità flangiate dei due tronchetti vanno imbullonate altre due flange

alle quali sono saldati i condotti di scarico (anch’essi in acciaio inox) che sono disposti

parallelamente all’asse longitudinale del motore. Quindi i due condotti convergono in

un’unica tubazione per poi raggiungere un tratto flessibile che ha lo scopo di consentire

vibrazioni del sistema senza rotture.

All’uscita di questo tratto è posto l’attacco per il prelievo dei gas di scarico da

analizzare. Si è cercato un compromesso tra la distanza dalle valvole di scarico per

avere gas relativamente freddi e la lunghezza del condotto che precede il punto di

acquisizione per il rischio di infiltrazioni d’aria che falserebbero la misura.

Troviamo quindi un silenziatore di derivazione automobilistica e poi i gas

raggiungono la bocchetta dell’aspiratore dei gas di scarico.

123

III.8: Circuito di raffreddamento

Il circuito di raffreddamento del prototipo a 2 tempi è stato radicalmente

modificato, rispetto a quello del motore originale, in vista del funzionamento al banco.

• il motore originale era dotato di uno scambiatore aria/acqua (il radiatore) nel

quale il liquido di raffreddamento veniva raffreddato per effetto della

convezione dell’aria incontrata dalla vettura durante il suo avanzamento. Il

radiatore prevedeva inoltre una ventola azionata da un termostato nel caso in cui

la convezione naturale fosse risultata insufficiente a raffreddare il liquido.

Poiché il prototipo si troverà a funzionare al banco in un ambiente chiuso, è

stato sostituito il radiatore con uno scambiatore a superficie che utilizza l’acqua

corrente per sottrarre calore al liquido di raffreddamento del motore

• la pompa dell’acqua del motore originale, azionata dall’albero motore, è stata

sostituita con una pompa di circolazione esterna, azionata da un motore

elettrico. Nonostante la potenza assorbita dalla pompa non sia elevata, si è

comunque preferito azionare separatamente tale accessorio perché la potenza

sottratta dalla pompa dell’olio e dagli alberi a camme all’albero motore è già

elevata

• è stato rimosso il circuito secondario e lo scambiatore acqua/acqua che nel

motore originale erano adibiti al riscaldamento dell’abitacolo della vettura

• nel motore originale è presente un termostato che “legge” la temperatura del

liquido di raffreddamento all’uscita del radiatore e controlla l’azionamento della

ventola. Nel prototipo si è invece deciso di utilizzare una valvola termostatica

che regola la portata dell’acqua corrente diretta allo scambiatore in funzione

della temperatura del liquido di raffreddamento all’uscita del motore.

124

Schema del circuito di raffreddamento

Il circuito è costituito da un anello chiuso nel quale la pompa mantiene in

circolazione il liquido di raffreddamento e da un circuito aperto nel quale fluisce

l’acqua corrente. I due fluidi si scambiano calore in corrispondenza dello scambiatore.

Figura III.25 Schema del circuito di raffreddamento

Il motore viene attraversato dal liquido di raffreddamento dal lato distribuzione

al lato volano: i raccordi per l’ingresso e l’uscita del fluido sono stati modificati rispetto

al motore originale ricavando dal pieno in alluminio i raccordi. Il montaggio di questi

ultimi deve essere effettuato con la massima precisione per evitare perdite di acqua e di

125

olio. Nel circuito si può osservare l’elemento sensibile posto all’uscita del motore: esso

“legge” la temperatura del liquido di raffreddamento ed è collegato mediante un tubo

capillare alla valvola termostatica posta all’ingresso dello scambiatore, sul circuito

aperto.

Figura III.26 Raccordo di uscita del liquido dalla testa. Si nota anche il sensore di

temperatura

Si nota infine il serbatoio del liquido refrigerante, che è posto più in alto rispetto

al circuito e collegato con una tubazione al raccordo di uscita del liquido refrigerante.

Inoltre per consentire un rapido svuotamento dell’impianto chiuso lato motore nel

punto più basso del circuito è stato inserito un rubinetto di generosa sezione. Questo

accorgimento si rende necessario per i problemi di tenuta riscontrati nella zona delle

luci di lavaggio. Dopo ogni test l’impianto viene rapidamente svuotato impedendo

l’ingresso di acqua nel cilindro.

126

Figura III.27 Dettaglio del rubinetto per lo svuotamento rapido dell’impianto

Pompa di circolazione

Il dimensionamento della pompa di circolazione va fatto in modo da garantire la

corretta portata di liquido refrigerante. La pompa che si impiega per il prototipo a 2

tempi è una pompa monoblocco con girante periferica ed è azionata da un motore

elettrico. Pertanto la velocità di rotazione della pompa, e conseguentemente la portata

di liquido refrigerante, risultano costanti al variare del numero di giri del motore.

Nel caso del motore originale, invece, la pompa di circolazione del liquido

refrigerante era azionata mediante una cinghia dall’albero motore: quindi la velocità di

rotazione della pompa, e conseguentemente la sua portata, erano proporzionali alla

127

velocità di rotazione del motore. In altre parole nel motore originale la potenza termica

sottratta al motore attraverso il liquido refrigerante era proporzionale alla velocità di

rotazione del motore; nel prototipo a 2 tempi la potenza termica sottratta al motore è

costante al variare del regime di funzionamento.

Di conseguenza la potenza termica sottratta può risultare troppo grande in certe

condizioni, ad esempio ai carichi ridotti. Per scongiurare tale pericolo è indispensabile

regolare la portata dell’acqua refrigerante attraverso una valvola comandata dal

termostato che rileva la temperatura dei liquido refrigerante all’uscita del motore.

Figura III.28 Pompa di circolazione e tubazioni

128

Scambiatore di calore

Per scegliere lo scambia tore di calore occorre valutare la potenza termica

generata dal motore durante il suo funzionamento. Nel motore originale l’impianto di

raffreddamento era dimensionato per asportare la potenza termica generata da 4

cilindri, nel caso del prototipo, invece, si è ridotto ad uno il numero dei cilindri attivi.

Per quanto riguarda il numero di cicli per unità di tempo, è chiaro che, allo stesso

numero di giri, il prototipo monocilindrico a 2 tempi presenta un numero di cicli per

unità di tempo doppio rispetto ad un 4 tempi. Ricordando tuttavia che il prototipo ha un

regime massimo di funzionamento che è la metà di quello del motore originale, si

conclude che il massimo numero di cicli per unità di tempo del prototipo è uguale a

quello di un cilindro del motore originale.

In ultima analisi la potenza termica generata dal prototipo è ridotta rispetto al

motore originale perché il numero di cilindri attivi è passato da 4 ad 1. Rispetto al

motore originale la testata risulta invece termicamente più sollecitata in corrispondenza

dell’unico cilindro attivo.

Figura III.29 Scambiatore di calore

129

Valvola termostatica

Per adeguare la potenza termica sottratta alle differenti condizioni di

funzionamento del prototipo si utilizza una valvola termostatica. Il corpo della valvola

va montato sulla tubazione che porta l’acqua corrente (proveniente dalla rete idrica)

allo scambiatore di calore.

Figura III.30 Sezione della valvola termostatica

130

L’elemento sensibile va invece montato sulla tubazione del liquido refrigerante,

all’uscita dal motore.

Il funzionamento è il seguente: quando il liquido refrigerante raggiunge una

certa temperatura (impostabile manualmente ruotando il pomello della valvola

termostatica), l’elemento sensibile se ne avvede e determina l’apertura della valvola,

consentendo l’afflusso di acqua fredda nello scambiatore. Quando la temperatura del

liquido refrigerante torna ad essere inferiore al valore impostato, l’elemento sensibile

chiude la valvola e quindi l’afflusso di acqua fredda nello scambiatore cessa.

La valvola impiegata, prodotta dalla Danfoss, è costituita da un corpo e

dall’elemento sensibile (12), collegati tra loro da un tubo capillare. L’elemento

sensibile va inserito in una guaina metallica (17) e tutta la sua superficie esterna deve

essere in contatto con il fluido del quale deve rilevare la temperatura, al fine di

garantire una regolazione veloce. L’elemento sensibile ed il tubo capillare contengono

una sostanza che per effetto dell’aumento della temperatura aumenta la sua pressione

andando ad esercitare una forza sull’otturatore (27); quando tale forza è maggiore della

forza (regolabile) esercitata dalla molla di contrasto (37) si ha l’apertura della valvola.

La regolazione della forza esercitata dalla molla di contrasto avviene ruotando il

pomello (1), variando quindi il precarico della molla.

131

CAPITOLO IV

Applicazione dell’iniezione diretta del combustibile Allo stato attuale della ricerca l’adozione dell’iniezione diretta di benzina pare

essere la soluzione più agevole per abbattere le emissioni di idrocarburi incombusti HC

allo scarico dei motori a 2 tempi . Questi sono in generale causati da:

• imperfetta combustione (soprattutto con dosature ricche)

• spegnimento della fiamma in prossimità delle pareti fredde

• spegnimento della fiamma in alcune zone della camera di combustione dove la

miscela è eccessivamente magra

• adsorbimento della benzina da parte dell’olio lubrificante rimasto sulle pareti

del cilindro durante la fase di compressione e successivo deassorbimento

durante la fase di espansione

• benzina che rimane intrappolata negli interstizi presenti nella camera di

combustione

• cortocircuito di carica fresca allo scarico durante il lavaggio

Quest’ultima causa è tipica del motore a 2 tempi “tradizionale” ed incide

nettamente più di tutte le altre sul livello complessivo di HC allo scarico: per questo

motivo il motore a 2 tempi è fortemente penalizzato rispetto al 4 tempi. Nel motore a 2

tempi “tradizionale” la fase di lavaggio avviene in concomitanza con quella di scarico

ed il lavaggio si effettua con una miscela di aria-benzina: per quanto si curi l’aspetto

fluidodinamico delle correnti di lavaggio all’interno del cilindro ci sarà sempre una

parte della portata di lavaggio che prende la via dello scarico senza aver partecipato alla

combustione.

132

La presenza di HC tra i gas di scarico è deleteria per diversi motivi:

• inquinamento atmosferico

• danneggiamento dell’eventuale apparato di post-trattamento dei gas di scarico

• accrescimento del consumo specifico

L’adozione dell’iniezione diretta rende i livelli di HC allo scarico di un motore a

2 tempi del tutto simili ad un’analoga unità a 4 tempi, infatti in linea teorica si evita

completamente la fuoriuscita di benzina allo scarico a patto di iniziare l’iniezione solo

dopo la completa chiusura della luce (o delle valvole) di scarico.

In realtà la cosa non è così agevole nel motore a 2 tempi perché il tempo che

intercorre tra la chiusura della luce di scarico e lo scoccare della scintilla può non

risultare sufficiente a consentire una completa evaporazione della benzina e

un’accettabile omogeneizzazione della miscela. Se si verifica tale circostanza, cioè se il

tempo è insufficiente, è necessario iniziare ad iniettare quando la luce di scarico è

ancora aperta.

Nel nostro prototipo si è adottato un sistema di iniezione in controcorrente

rispetto al flusso di lavaggio, questo può eventualmente consentire di iniziare

l’iniezione quando le valvole di scarico non sono ancora chiuse.

Per ovviare al problema del ridotto tempo a disposizione della benzina iniettata

per evaporare e miscelarsi, ci si può ancora indirizzare per il 2 tempi verso sistemi di

iniezione pneumatica, cioè verso un tipo di iniezione nella quale si iniettano aria e

benzina con l’aria in pressione che ha il compito di favorire la creazione di uno spray

dotato di buone caratteristiche.

In questo capitolo viene descritto il sistema di iniezione diretta adottato sul

prototipo analizzando componenti meccanici ed elettronici, logica di funzionamento

delle centraline e quantità di benzina iniettate.

133

IV.1: Schema dell’impianto

Il sistema di iniezione diretta della benzina può essere così schematizzato:

Figura IV.1 Schema dell’impianto di iniezione della benzina

Vediamo ora i vari componenti della linea benzina dal serbatoio sino

all’iniettore, inoltre analizziamo le centraline che comandano l’afflusso di benzina nei

vari tratti dell’impianto.

134

IV.2: Serbatoio, pompa di bassa pressione, filtro

La benzina è contenuta in un piccolo serbatoio in acciaio inox posto a lato del

prototipo, una prima pompa, di bassa pressione alimentata a 12 V aspira la benzina e la

invia nel filtro carburante.

La pompa è un’unità per applicazioni automobilistiche, fornisce una minima

prevalenza. E’ raffreddata direttamente dalla benzina che vi circola. Si può far rifluire

parte della portata direttamente nel serbatoio, ma questa opzione viene usata solo nella

fase di avvio della pompa per evacuare tutta l’aria presente nelle tubazioni.

Figura IV.2 Pannello metallico con pompa di bassa pressione e filtro

135

Figura IV.3 Retro del pannello metallico: si vedono le valvole di sfiato. Sulla sinistra

il serbatoio

Questa parte dell’impianto è alloggiata su di un pannello metallico posto nella

zona retrostante il motore. Da qui la benzina viene portata al pulpito di comando

attraverso lunghi tubi di gomma telata. Sul pulpito di comando è alloggiato il

degasatore, da qui la benzina passa in un rubinetto che può assumere due posizioni:

• prova consumo

• alimentazione del motore senza prova consumo

Vedremo nel dettaglio il funzionamento nelle due posizioni nel capitolo V.

Attraverso il tubo di ritorno la benzina arriva nuovamente al quadro posto nella zona

retrostante il motore. Qui è presente un primo sfiato per l’aria seguito dopo poco da un

136

secondo: questa complicazione si rende necessaria per scaricare la maggior quantità

possibile di aria dal sistema. Si devono quindi andare a collegare con l’atmosfera

diversi punti in cui sperimentalmente si è visto che l’aria tende ad accumularsi.

IV.3: Pompa ad alta pressione

La benzina viene aspirata dalla pompa ad alta pressione posta in rotazione da un

motore elettrico in corrente alternata trifase a 380 V e qui ha inizio il circuito di alta

pressione.

Figura IV.4 Pompa di alta pressione e relativo motore in fase di installazione (sono

assenti il coperchio di protezione e le connessioni benzina e corrente)

La pompa è del tipo con ingresso del fluido radiale e mandata assiale. In uscita

dalla pompa la pressione è decisamente elevata: si opera con valori dell’ordine dei 70

bar il che obbliga ad avere tubazioni di resistenza adeguata, tipicamente tubi con

rivestimento in calza metallica e raccorderia in acciaio.

137

Figura IV.5 Caratteristiche della pompa di alta pressione

IV.4: Regolatore di pressione Siemens

Sempre sul quadro metallico sono alloggiati i tre fondamentali componenti della

parte ad alta pressione dell’impianto:

• il sensore di pressione

• la valvola di regolazione della pressione

• il manometro per la misura della pressione

La benzina deve essere mantenuta ad una pressione il più possib ile prossima al

valore desiderato: per ottenere questo un’elettrovalvola comandata da un’apposita

centralina si apre e si chiude scaricando o non scaricando parte della portata di benzina.

Questa valvola è un componente molto delicato in quando dal suo corretto

funzionamento dipende l’integrità di tutto il sistema, l’estrema aggressività della

Cilindrata unitaria 0,360 cm3/giro

Rendimento volumetrico 0,95 a 69 bar

Velocità massima Continua: 5000 giri/min

Picco: 6000 giri/min

Pressione massima Continua: 300 bar

Picco: 350 bar

Massima temperatura di esercizio 120 °C

Filtraggio < 5 µm

Pressione di alimentazione Press. Positiva, < 1,4 bar

Potenza assorbita 175 W a 2500 giri/min

Peso 2,25 kg

138

benzina senza piombo e la presenza di lacche e depositi può facilmente portare al

bloccaggio di questa unità.

La centralina Siemens di controllo della pressione riceve in ingresso il valore

misurato dal sensore di pressione, lo confronta con il valore impostabile sul pannello

tramite un potenziometro e comanda l’apertura e la chiusura dell’elettrovalvola di

conseguenza. Sul potenziometro non sono indicati direttamente dei valori di pressione

ma dei semplici numeri. Di conseguenza si deve leggere la pressione su un apposito

manometro e regolare manualmente.

Figura IV.6 Manometro in alto a sinistra, sensore di pressione ed elettrovalvola a

destra

139

Questo manometro è molto delicato; presenta un fondo scala di ben 100 bar

tuttavia la fase di avviamento della pompa è critica per la sua integrità. E’ infatti

fondamentale regolare sempre a zero il potenziometro della centralina Siemens in modo

che la valvola resti aperta scaricando, già all’avviamento della pompa, la benzina. Se

così non fosse, infatti, la pressione avrebbe un picco elevatissimo nella prima frazione

di secondo dopo l’avviamento della pompa, cioè finché avviene l’apertura della

valvola. Questo picco è letale per il manometro che prende un violento colpo

danneggiandosi seriamente.

Il valore di pressione oscilla attorno al valore che impostiamo, questo è dovuto

all’intervento discontinuo della valvola che è inoltre ostacolata nel suo buon

funzionamento anche dall’apertura dell’iniettore che fa crollare il valore di pressione

nell’impianto. Durante le prove fatte sull’iniettore si è stabilito che il valore di 70 bar

rappresenta un buon compromesso: salire ancora non migliora infatti significativamente

né la qualità del getto né la quantità iniettata. Si regola quindi verso i 70 bar il sistema

che oscillerà poi tra i 60 e gli 80. L’entità di questa oscillazione è influenzata

pesantemente dalla presenza di aria nell’impianto, è quindi fondamentale eliminare

tutta l’aria nelle tubazioni.

IV.5: Raffreddamento della benzina

La parte di benzina compressa che non partecipa al processo di iniezione viene

fatta passare in uno scambiatore a superficie benzina-acqua allo scopo di abbassarne la

temperatura e soprattutto mantenerla costante. La quantità iniettata è infatti fortemente

influenzata dalla temperatura ovvero dalla densità della benzina.

La benzina durante il processo di compressione tende a scaldarsi in maniera

significativa e siccome viene iniettata una minima quantità rispetto alla portata

garantita dalla pompa buona parte della benzina viene scaricata. Nella maggior parte

delle applicazioni automobilistiche si scarica la portata direttamente nel serbatoio della

benzina. Siccome questo è di grande capacità rispetto alla quantità ricircolata, la

temperatura media alla quale si porta l’insieme è sufficientemente bassa. In più negli

140

impianti di iniezione indiretta la pressione della benzina è molto più bassa dei 70 bar

del presente prototipo. Inoltre in questo caso la benzina non viene scaricata nel

serbatoio ma viene riportata semplicemente all’aspirazione della pompa ad alta

pressione: ecco dunque l’assoluta necessità dello scambiatore.

L’acqua per il raffreddamento viene prelevata dalla rete idrica ed una volta

effettuata la sua funzione viene scaricata. La regolazione della portata di acqua si

effettua manualmente agendo su un rubinetto. Per massimizzare il raffreddamento i due

fluidi sono in controcorrente.

IV.6: Iniettore

Affacciato direttamente in camera di combustione troviamo un iniettore

prototipo di fabbricazione Siemens Automotive. Particolarità di questo dispositivo è

che il circuito elettrico rappresentato dal solenoide di comando dello spillo iniettore è in

grado di pilotare lo spostamento di quest’ultimo anche sotto l’azione di pressioni del

carburante di 70-100 bar all’interno del condotto di alimentazione. Nonostante ciò le

dimensioni del dispositivo sono paragonabili a quelle di un iniettore da iniezione

indiretta.

Figura IV.7 Iniettore

Per assicurare il dispositivo al motore è stato realizzato un lungo cilindro

metallico da avvitare nella ex sede della candela, dentro il quale viene poi vincolato

l’iniettore. La posizione scelta per l’iniettore, cioè al centro delle quattro valvole,

complica in montaggio del complesso. L’iniettore si trova infatti incassato e pressoché

invisibile una volta montato.

141

Questa collocazione rende necessaria l’adozione di un lungo tubo rivestito in

treccia metallica per poter supportare una connessione al tubo di arrivo della benzina ad

alta pressione all’esterno della testa. Sempre per consentire il montaggio nell’angusto

spazio è stato eliminato il connettore stagno bipolare in favore di una soluzione meno

affidabile ma più compatta: due semplici capicorda fast-on.

Figura IV.8 Componenti del porta- iniettore

Con riferimento alla figura IV.8 il montaggio viene effettuato così:

• si serra il primo componente visibile in alto nell’ex foro della candela

sincerandosi di aver interposto un anello di rame di tenuta

• si inserisce l’iniettore verificando l’integrità del delicato anellino di tenuta in

teflon di colore bianco presente nel tratto cilindrico in prossimità della camera

di combustione

• si infila il componente in basso a sinistra della foto nel cilindro visibile in alto;

questo ha lo scopo di trasferire all’esterno del pozzetto la forza che preme

l’iniettore nella sua sede

• si posiziona la piastra visibile a destra nella foto che preme sul penultimo

componente installato e si avvita in una piastra solidale alla testa non visibile in

foto

142

Figura IV.9 Iniettore installato nel porta-iniettore

Figura IV.10 Sezione longitudinale della testa con iniettore montato

143

Figura IV.11 Sezione trasversale della testa con iniettore montato

IV.7: Prove sperimentali dell’iniettore

L’elettroiniettore 3527 fornito dalla Siemens Automotive è stato sottoposto ad

una serie di prove da A. Dutto i cui risultati sono riportati nella sua Tesi di Laurea [4].

In particolare sono state analizzate le quantità iniettate e la forma del cono di iniezione.

Le prove sono state condotte ad una frequenza di apertura pari a 35 Hz, con

pressione di iniezione pari a 70 bar; variando il periodo di apertura dell’elettroiniettore

144

si è misurato il tempo impiegato per consumare una buretta di benzina del volume di

51,1 cm3. Successivamente si è diviso il valore della massa di benzina corrispondente a

tale volume per il numero di iniezioni misurate con un contaimpulsi. In questo modo si

è ottenuto il valore della quantità media iniettata, misurata in milligrammi al ciclo a

diversi valori del periodo di apertura.

I dati relativi alle quantità iniettate fornite dalla Siemens non sono state

confermate dalle prove sperimentali, in particolare la curva ottenuta è analoga a quella

fornita dal costruttore (quindi lineare) ma traslata di una certa quantità. Inoltre venivano

riportate iniezioni per tempi di apertura inferiori al millisecondo, nella prova invece la

quantità iniettata si annulla a valori del tempo di apertura di circa 1,75 ms. Visto che le

motivazioni fornite da A. Dutto circa queste discrepanze paiono soddisfacenti si

assumono come validi i dati ottenuti sperimentalmente presso il Dipartimento di

Energetica.

Nella figura IV.12 sono riportati i valori misurati durante le prove:

tempo di apertura [ms] qtà iniettata [mg/ciclo] 1,75 6,25037444

2 9,04806071 3 19,6538462 4 30,5105605 5 41,501105

Figura IV.12 Valori delle portate misurati

Diagrammando i valori ottenuti si ricava un grafico con le quantità iniettate in

funzione del tempo di apertura iniettore (figura IV.13):

145

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

tempo apertura iniettore [ms]

po

rtat

a [m

g/c

iclo

]

Figura IV.13 Valore delle portate iniettate misurate

Il passo successivo nella caratterizzazione del dispositivo di iniezione è stato

quello di montare l’intero sistema su un banchetto prova iniettori al fine di

visualizzarne il getto e misurarne le relative proprietà. L’iniettore è stato disposto

all’imbocco di una camera a sezione quadrata realizzata in plexiglas, collegata al fondo

con un condotto di aspirazione, ai fini di evacuare i vapori di benzina sviluppati nei

cicli di iniezione.

Utilizzando una lampada stroboscopica si sono fatte una serie di fotografie dalle

quali è stato poi possibile risalire alla forma del getto ed al percorso delle goccioline di

benzina. Il comportamento dello spray è a cono cavo internamente con un angolo

misurato del cono di circa 72°.

Ad un tempo di 1,5 ms dopo l’inizio del segnale di apertura, il getto è appena

comparso all’uscita dell’iniettore, questo conferma il ritardo individuato attraverso i

segnali. Già a 2,5 ms dal segnale di apertura il cono cavo del getto evidenzia un ricciolo

nella parte più avanzata, manifestazione dell’azione frenante esercitata dall’attrito tra le

goccioline del liquido e l’aria dell’ambiente. Tale ricciolo appare come un’inversione

146

della direzione delle goccioline che invece di continuare in linea retta si riavvolgono in

un moto retrogrado. Questo vortice all’indietro si va evidenziando sempre di più sino

ad un tempo di 3,75 ms dall’inizio del segnale, tale istante in pratica corrisponde alla

chiusura dell’iniettore. Da questo istante in poi la parte centrale del cono, che possiede

ancora una maggiore energia cinetica, continua in direzione assiale, mentre le

goccioline più esterne, ormai prive di energia restano praticamente sospese

nell’atmosfera. Tale movimento porta in pratica ad un capovolgimento del cono ben

evidente ad un tempo di 12 ms dall’inizio del segnale dell’iniezione.

1,5 ms 2 ms 2,5 ms

3 ms 3,5 ms 3,75 ms

4 ms 5 ms 6 ms

7 ms 9 ms 12 ms

Figura IV.14 Evoluzione del cono di iniezione

147

IV.8: Centralina di controllo dei parametri di iniezione

In stretta sinergia con i componenti meccanici ed elettromeccanici del sistema

lavorano dei componenti puramente elettronici. Si analizza ora la centralina [15]

attraverso la quale è possibile definire momento di inizio e la durata del processo di

iniezione.

La strumento legge un impulso proveniente da una tacca di riferimento di un

encoder (marker) e genera un impulso statico ritardato di un certo tempo (dLon) e di

una certa durata (t on). Questi due tempi sono programmabili per mezzo del menù

navigabile con i tasti posti nel pannello frontale. Graficamente il funzionamento è il

seguente (figura IV.15):

Figura IV.15 Andamento qualitativo dei segnali della centralina

L’alimentazione in questo caso avviene con i 12 V forniti dalla batteria. Sul

retro dello strumento sono collocati i connettori per il marker, i 12 V ed il segnale in

uscita verso la centralina di potenza Siemens.

L’aggancio al segnale dell’encoder può essere selezionato sul fronte di salita

oppure su quello di discesa.

148

Le caratteristiche tecniche sono (figura IV.16):

Figura IV.16 Caratteristiche della centralina

La procedura di programmazione è ostacolata dalla ridotta navigabilità del

menù, le cifre del display possono essere solo aumentate quindi se dal numero 4 si

vuole passare al 3 si è obbligati ad effettuare tutto il giro sino a 9 e ricominciare da 0.

Inoltre è buona norma confermare sempre il valore appena impostato poiché

diversamente non viene memorizzato.

Figura IV.17 Pannello frontale

Ingresso Encoder monodirezionale

Tempo dLon da 0,1 ms a 999,9 ms

Tempo t on da 0,1 ms a 999,9 ms

Uscita 50 mA 30 Vcc

Alimentazione 10-30 Vcc

Dimensioni 48 X 96 X 120 mm

Dima di foratura 44,5 X 92,5 mm

149

Di seguito (figure IV.18-19) la procedura per la programmazione dei valori:

Tasto da premere Scritta sul display Note

1 enter dLon Tempo di ritardo

2 enter 999,9 Impostare il valore del primo tempo di ritardo

in ms ** (confermare con enter)

3 dLon

4 ? t on Tempo di monostabilizzazione segnale di

uscita

5 enter 999,9 Impostare il tempo di monostabilizzazione in

ms ** (confermare con enter)

6 t on

7 ? Fron Selezione del fronte di partenza tempi

8 enter Up

Selezionare con il tasto ? la voce “up” oppure

“down”

“up” = i tempi partono dal fronte di discesa del

segnale di marker

“down” = i tempi partono dal fronte di salita

del segnale di marker

(confermare con enter)

9 Fron

10 ? Uscita dal menù

** Per modificare il numero impostato fare riferimento alla tabella seguente (fig. IV.19)

Figura IV.18 Navigazione menù

150

Tasto da premere Scritta sul display Note

1 ton Esempio di modifica valore t on

2 enter 0 0000 Il display si presenta con una cifra

lampeggiante

3 ? 0 0 000 Con la pressione del tasto ? viene spostata la

cifra lampeggiante verso destra

4 ? 0 1 000 Con la pressione del tasto ? viene

incrementata la cifra lampeggiante

5 enter ton Il numero viene memorizzato ed il display

ritorna nella voce selezionata

Figura IV.19 Impostazione valori numerici nel menù

Il grosso difetto di questa centralina è di ragionare in termini di tempo e non in

termini di rotazione angolare del motore. Di conseguenza al variare dei giri motore

restano costanti i tempi ma varieranno le posizioni angolari in cui partono i segnali.

Siccome l’entità della variazione di velocità angolare del motore è notevole (si pensi

all’avviamento a 250-300 giri/min, ad una condizione di marcia al minimo di 600-700

giri/min sino al regime massimo di 3000 giri/min) notevolissime sono le variazioni del

momento di iniezione.

Per ovviare in parte a questo problema è opportuno minimizzare il tempo dLon

posizionando il marker quasi in corrispondenza del momento in cui si vuole iniettare.

Si vedranno nel capitolo VI le scelte effettuate a tal proposito.

151

IV.9: Centralina di potenza Siemens

L’iniettore Siemens utilizza solamente il circuito elettrico di comando per

realizzare l’apertura dello spillo, non si affida cioè allo sfruttamento della pressione

della benzina per ridurre lo sforzo necessario all’apertura. Vista l’alta pressione

dell’impianto la molla che contrasta l’apertura dello spillo esercita una forza notevole

per tenere lo stesso chiuso e di conseguenza notevole deve essere la forza generata dal

solenoide per l’apertura. Tutto questo si traduce in un notevole consumo di energia.

Non è quindi pensabile di realizzare il comando di apertura direttamente con il

segnale in uscita dalla centralina che definisce i parametri di iniezione, ma si deve

sfruttare un modulo di potenza sempre di produzione Siemens.

Questo è alloggiato sul lato destro del pulpito e deve essere collegato con cavi

di adeguata sezione alla batteria a 12 V. E’ un’unità realizzata per pilotare quattro

iniettori mentre qui se ne usa solo uno, di conseguenza dovrebbero essere minori gli

stress termici a cui è sottoposta.

Figura IV.20 Centralina montata sul pulpito

152

CAPITOLO V

Allestimento del banco prova

In questo capitolo si esamineranno le soluzioni adottate per l’installazione del

motore al banco prova e la strumentazione di cui è dotato il complesso.

Figura V.1 Vista del prototipo e del banco prova dal lato pulpito

Il motore è installato a ridosso del pulpito di comando, non è cioè presente una

camera isolata acusticamente ma ci si trova a ridosso del prototipo durante le prove.

153

Figura V.2 Vista del prototipo e del banco prova dal lato opposto al pulpito

Questa soluzione semplifica i collegamenti con le strumentazioni ed i vari

apparati ma espone gli operatori al rumore, ai fumi ed al calore prodotti dal motore.

V.1: Fissaggio al banco prova e freno

Il prototipo è ancorato al banco prova attraverso tre supporti: tutti attacchi già

originariamente utilizzati sulla vettura su cui era installato il motore. Due di queste

staffe sono realizzate con una struttura in lamiera da 12 mm di spessore saldata per dare

la rigidità necessaria al sistema. Il terzo supporto è realizzato con l’interposizione di un

elemento antivibrante in grado di supportare elevati carichi di compressione.

Il basamento del banco prova poggia, tramite quattro supporti antivibranti, su

fondazioni distinte da quelle del fabbricato, allo scopo di non trasmettere vibrazioni alle

strutture di quest’ultimo.

154

Si ha a che fare con un monocilindrico che è quindi naturalmente soggetto ad

una notevole quantità di vibrazioni durante il funzionamento, per questo va posta

particolare cura in questi dettagli.

Figura V.3 Staffa di supporto motore in lamiera da 12 mm

Figura V.4 Supporto antivibrante

155

Il collegamento tra motore e freno è ottenuto mediante un doppio giunto

cardanico. Si garantisce così l’unitarietà del rapporto tra le velocità istantanee delle due

estremità e si è in grado di tollerare un certo errore di coassialità.

Figura V.5 Albero di trasmissione

Il freno è del tipo a correnti parassite ed è di produzione Schenck. La rotazione

dell’albero del motore determina il nascere nel suo statore di una forza elettromotrice

che a sua volta genera correnti che dissipano potenza per effetto joule. Il calore

sviluppato viene sottratto da acqua corrente così da evitare il surriscaldamento del

freno. Una centralina di controllo a cui vengono comunicati i valori della velocità di

rotazione del motore e della coppia frenante provvede a comandare il freno stesso per

adeguarlo alle regolazioni impostate dall’operatore sul quadro di comando.

Durante le prove viene utilizzata la funzione “a velocità costante”, si imposta

cioè una velocità a cui si vuole che il motore ruoti ed il banco adegua la coppia

frenante per mantenere questa condizione. Su un grande quadrante analogico è

possibile leggere il valore della forza da cui poi si ricava la potenza fornita dal motore.

156

Figura V.6 Freno

V.2: Encoder ottico

All’estremità del freno è montato un encoder ottico a 360 impulsi al giro che

fornisce un segnale ad onda quadra TTL, utilizzato per conoscere la posizione angolare

dell’albero rispetto all’impulso del marker (uno al giro). Il principio di funzionamento

dell’encoder è basato sull’interruzione di un fascio di luce ad opera di un disco dentato

opaco: il fascio generato da un fotodiodo emettente, eventualmente intercettato dal

disco, viene ricevuto da un fototransistor che provvede a fornire in uscita un segnale

che, opportunamente amplificato, squadrato e portato a livelli TTL, viene utilizzato per

scandire l’acquisizione dati.

L’encoder utilizzato è realizzato dalla Elcis ed è un modello di normale

produzione. Per il fissaggio del componente è stata realizzata una solida staffa che lo

ancora al banco prova. Un alberino in alluminio collega il freno in rotazione

all’encoder stesso e permette la regolazione della posizione del marker essendo

157

ruotabile e bloccabile in qualunque posizione. Allo scopo di compensare eventuali

errori di coassialità e vibrazioni varie è anche interposto un giunto elastico.

Figura V.7 Encoder

In figura V.8 è visibile il principio di funzionamento dell’encoder ottico (non è

rappresentato il fotodiodo emettente):

Figura V.8 Principio di funzionamento dell’encoder ottico

158

Il segnale di marker permette di ottenere un riferimento fisso: l’encoder fornisce

infatti solo un segnale angolare relativo. Il principio di funzionamento del marker è

analogo a quello dell’encoder con la differenza che è presente un solo riferimento su

tutto il disco.

Figura V.9 Principio di funzionamento del marker

V.2: Pulpito di comando

Il pulpito di comando è posto di fronte al banco su cui è stato installato il

prototipo. Da esso è possibile modificare le condizioni di funzionamento del motore e

tenere sotto controllo alcune grandezze significative.

Inoltre al suo interno è alloggiata una delle due batterie a 12 V e la struttura

sostiene anche diverse componenti del sistema di afflusso del carburante oltre ad una

centralina elettronica.

159

Figura V.10 Degasatore benzina fissato sul retro del pulpito

Sul lato sinistro sono ubicati gli interruttori per l’accensione di:

• Pompa ad alta pressione della benzina

• Pompa dell’acqua per il raffreddamento del motore

• Sistema di aspirazione dei gas di scarico

160

Figura V.11 Interruttori sul lato sinistro del pulpito

Sul pannello metallico in basso si osservano :

• Chiave di contatto/avviamento

• Organo di regolazione della farfalla

• Indicatore della pressione dell’olio

• Spia dell’insufficiente pressione dell’olio

• Rubinetto per la prova di consumo

Attraverso la rotazione della chiave di contatto si alimenta una prima parte del

sistema elettrico (bobina, centralina Bosch dell’accensione, manometro della pressione

dell’olio) e poi col secondo scatto si procede all’avviamento del motore come in una

normale autovettura. Tutte queste utenze sono collegate ad una prima batteria da 12 V,

quella ubicata sotto il pulpito stesso. Sono presenti altri strumenti per la temperatura

dell’acqua e dell’olio ma per questa occasione caso non sono stati utilizzati.

161

Nella parte alta del pulpito si trovano:

• Interruttore di emergenza

• Interruttore della pompa della benzina a bassa pressione

• Interruttore della centralina Siemens dell’iniezione

• Centralina di controllo dei parametri di iniezione

• Indicatore della temperatura del refrigerante

Queste utenze sono collegate ad una seconda batteria a 12 V sistemata a lato del

pulpito; questa differenziazione si è resa necessaria per l’elevato assorbimento di

corrente del motorino di avviamento che durante i primi istanti di funzionamento

creava un tale deficit energetico da far spegnere la centralina che controlla i parametri

di iniezione (il suo funzionamento è descritto nel capitolo IV). Siccome questa deve

eseguire un breve test prima di essere operativa ad ogni avviamento si era costretti a far

girare inutilmente per diversi secondi il motore sino ad avere nuovamente la centralina

operativa.

Sempre sul pulpito è presente un altro importantissimo organo di controllo del

motore: il sistema di comando del compressore Roots. Si trovano infatti:

• Una chiave di accensione

• Un pulsante di emergenza

• Un pomello di regolazione

Il compressore Roots è mosso da un motore elettrico trifase a 380 V e la sua

velocità deve poter essere finemente regolata in modo tale da poter adattare la portata

d’aria del compressore alle reali necessità del motore.

162

Figura V.12 Comandi e strumenti presenti sul pulpito

V.3: Torre dei consumi

Su un pannello in prossimità del pulpito di comando si trova il sistema di tubi e

burette che consente l’effettuazione delle prove di consumo del motore. Attraverso il

rubinetto a due posizioni posto nella parte sinistra del pulpito si può far funzionare

oppure escludere la torre dei consumi.

Se si sceglie la prima posizione viene momentaneamente bloccato l’afflusso

diretto di carburante dalla pompa a bassa pressione verso il motore e la benzina viene

prelevata dalle burette graduate della torre di consumo. In questo modo misurando il

tempo necessario al motore per consumare una quantità di benzina nota è possibile

ricavare il suo consumo.

163

Sono disponibili diverse burette graduate:

• 51,5 cm3

• 150 cm3

• 254,5 cm3

Figura V.13 Torre dei consumi

Tra una buretta e l’altra vi è una zona a sezione ristretta che facilita la decisione

del momento in cui arrestare il cronometro.

Se invece si opta per la seconda posizione del rubinetto il carburante viene

inviato direttamente al motore senza passare dalle burette che nel frattempo vengono

ricaricate pronte per una successiva prova di consumo.

164

V.4: Banco delle centraline di accensione, di gestione della pressione della benzina ed oscilloscopio

Su di un tavolo posto alla destra del pulpito di comando sono appoggiati altri

strumenti fondamentali per il funzionamento del prototipo:

• Centralina di controllo della posizione del pick-up e del ritardo di accensione

dal segnale di pick-up

• Centralina di trattamento del segnale di marker ed encoder, contagiri e

contasecondi

• Centralina di regolazione della pressione nel circuito di alta pressione della

benzina

• Oscilloscopio elettronico

• Analizzatore dei gas di scarico

Le prime due centraline devono operare necessariamente assieme. Sulla prima si

trova l’impostazione della posizione ango lare del pick-up prima del PMS ed il valore di

impulsi, corrispondenti ciascuno ad un grado di rotazione del motore, provenienti

dall’encoder prima che la centralina debba dare il comando di accensione. A sinistra su

un display viene visualizzata la differenza dei due valori impostati che, a meno dei

ritardi e discrepanze già viste, da l’anticipo di accensione in gradi prima del PMS.

Allo scopo di controllare costantemente tutti i parametri elettronici fondamentali

del motore è stato installato un oscilloscopio elettronico del quale si utilizzano quattro

canali:

1. Segnale di marker

2. Segnale in uscita dalla prima centralina che andrà nella centralina Bosch di

accensione

3. Segnale di pick-up

4. Segnale di comando iniettore

165

Per il segnale numero 2 si deve quindi tenere ancora conto della presenza a valle

della centralina Bosch, della bobina e della candela. Per il segnale 4 invece viene

rilevato direttamente il segnale di potenza che esce dalla centralina Siemens e va

all’iniettore. Temporalmente cioè non dovrebbe accumulare ritardi ma dovrebbe

corrispondere all’istante di comando dell’iniettore.

Figura V.14 Centraline di accensione, gestione pressione benzina ed oscilloscopio. Si

vedono anche sulla destra la centralina di controllo del freno e sullo sfondo a sinistra

la bilancia. Sopra all’oscilloscopio è presente un generatore di onde usato a lungo

nelle fasi di messa a punto dell’intero sistema elettronico del prototipo.

166

Figura V.15 Dettaglio della centralina su cui è possibile leggere in alto: giri motore,

tempo, contaimpulsi marker; a metà strumento a destra: temperatura gas di scarico; in

basso start e stop del cronometro.

Figura V.16 Dettaglio della centralina di regolazione pressione benzina

167

V.6: Analisi dei gas di scarico

L’analizzatore dei gas di scarico utilizzato sfrutta il principio di assorbimento

selettivo operato dai gas nei confronti di un fascio di raggi infrarossi di spettro noto. I

fumi raccolti dal condotto di scarico del motore tramite un pompa, debitamente filtrati e

deumidificati, vengono esposti ad una radiazione elettromagnetica: ciascun gas

presente assorbe, su lunghezze d’onda note, una quantità di radiazione proporzionale

alla sua concentrazione; confrontando lo spettro della radiazione che attraversa il gas

con quello emesso è possibile valutare con sufficiente precisione il tipo di gas e la sua

concentrazione.

Il sistema si rivela adatto alla misurazione degli ossidi di carbonio e

dell’ossigeno, ma crea problemi nell’analisi di inquinanti composti da molecole di tipo

diverso quali ad esempio gli idrocarburi incombusti: lo strumento si rivela infatti più

sensibile nei confronti di alcuni tipi di idrocarburi rispetto ad altri, falsando la misura.

Gli ossidi di azoto dovrebbero invece essere misurati con uno strumento a

chemiluminescenza.

Lo strumento utilizzato è di produzione TecnoTest, modello MULTIGAS 488 e

viene utilizzato per la misura di HC, CO, CO2 ed O2: le portate e le unità di misura di

ogni composto sono evidenziati nella figura V.l7.

Figura V.17 Caratteristiche tecniche Multigas 488

GAS CAMPO DI MISURA RISOLUZIONE

CO 0..99 % Vol. 0,01 %

CO2 0..19,9 % Vol. 0,1 %

HC 0..999 ppm Vol. 1 ppm

O2 4..25 % Vol. 0,1 %

168

CAPITOLO VI

Prove sperimentali col prototipo Il lavoro di realizzazione dell’impianto di iniezione elettronica diretta non ha

incontrato grandi contrattempi al contrario dell’apparato dell’accensione. Su questi

particolari infatti guasti e disturbi di segnale hanno creato diversi ritardi

nell’avanzamento del lavoro.

Nonostante questo ed altri imprevisti dopo un’attesa di diversi anni è avvenuto

l’avviamento del motore. In questo capitolo si analizzeranno i primi risultati ottenuti

col motore in combustione.

VI.1: Posizionamanto marker

Il momento esatto in cui iniziare il processo di iniezione e la durata della stessa

sono fondamentali per il corretto funzionamento del motore. Il segnale di marker è il

riferimento utilizzato dalla centralina elettronica per posizionare temporalmente

l’iniezione.

Valutando solamente questi aspetti si tenderebbe a posizionare il marker in un

punto qualsiasi del ciclo e poi tramite la centralina si potrebbe attribuire il ritardo in

millisecondi tra il segnale di marker e l’inizio del processo di iniezione. La centralina

elettronica ragiona però in termini di tempo; quindi al variare del regime di rotazione,

mantenendo costanti i tempi, si varia l’instante in termini di angolo di rotazione

169

dell’albero motore. L’entità di questa variazione è notevolissima se non si adottano

piccoli accorgimenti.

Allo scopo di evitare la fuoriuscita di benzina allo scarico non è possibile

iniziare ad iniettare prima della chiusura delle valvole di scarico, ovvero 220°. Dopo

220° e sino a 235° si è ancora nella fase di lavaggio: si può utilizzare anche questa fase

per iniettare. Il lavaggio avviene con sola aria in arrivo dal compressore con una certa

pressione, questo può disturbare il cono di iniezione ma può anche favorire un ottimale

mescolamento della carica.

Sempre per scegliere il posizionamento del marker è opportuno tenere conto

della quantità di benzina da iniettare che richiede un certo tempo in millisecondi di

apertura dell’iniettore. E’ richiesto il completamento del processo di iniezione ben

prima del PMS, prima anche dello scoccare della scintilla. Quindi va terminata

l’iniezione almeno 20°-30° prima del PMS per garantire un certo margine di sicurezza.

Si ipotizza sommariamente la quantità da iniettare tenendo conto della cubatura

del motore, nell’ipotesi di dosatura in prossimità dello stechiometrico ed assumendo dei

valori di coefficiente di riempimento da valori molto bassi sino all’unità. Vengono

eseguiti tutti questi conti con molte assunzioni ed ipotesi; il solo scopo è determinare,

anche con un margine di errore elevato, il tempo minimo e massimo di apertura

dell’iniettore. Con tempi dal minimo valore di 1,75 ms per cui avviene l’iniezione sino

a 4,8-5,0 ms si è certi di garantire il fabbisogno di benzina del motore.

Con questo valore è possibile risalire al massimo punto angolare in cui si può

iniziare ad iniettare tenendo conto della velocità massima di rotazione del motore di

3000 giri/min. Si ribadisce che sia il massimo valore di 3000 giri/min sia i 5,0 ms sono

valori estremi che difficilmente si raggiungeranno nelle effettive condizioni di

funzionamento ma questo è solo un conto di massima.

Tutto questo per le condizioni di funzionamento al massimo del regime di

rotazione e con il massimo carico. Però il motore deve essere anche in grado di avviarsi

e sostentarsi almeno per il tempo necessario alla modifica manuale dei parametri di

170

iniezione. In condizioni di avviamento il motore ruota a circa 260-265 giri/min dati dal

motorino di avviamento. A questo regime la durata angolare dell’iniezione si riduce

cosa che consentirebbe di ritardare tantissimo l’inizio dell’iniezione. In più anche un

esagerato tempo del ritardo di iniezione determina comunque un istante angolare di

inizio iniezione molto anticipato.

La determinazione della posizione del marker è quindi frutto di diversi

compromessi. Sicuramente non ci si può permettere di iniettare a valvole di scarico

ancora aperte anche se probabilmente il tipo di lavaggio adottato non determinerebbe

un’uscita immediata allo scarico della benzina. Comunque avendo ampi margini

determinati con le modalità empiriche appena viste si evita di correre ogni rischio.

Per ridurre al minimo l’effetto della variazione dei parametri di tempo e gradi in

funzione della velocità di rotazione si deve minimizzare il ritardo da impostare nella

centralina.

Si è deciso quindi di posizionare il segnale di marker in prossimità del segnale

di pick-up che è posto a 111° PPMS. Si è così abbondantemente oltre la chiusura delle

valvole di scarico ed anche oltre la fine del processo di lavaggio. In questa

configurazione si hanno comunque ampi margini per variare la quantità iniettata anche

alla massima velocità di rotazione del motore.

Con il segnale di marker a cavallo dei 249° di manovella è possibile impostare

ritardi praticamente nulli dell’iniezione visto che 249° è un valido punto per iniziare ad

iniettare. E’ poi ancora possibile giocare sull’opzione di agganciare il segnale di marker

lungo il suo fronte di salita o quello di discesa: con questa modifica si può variare di

qualche grado l’istante di inizio iniezione.

Dall’analisi dei conti effettuati e dal confronto con le esperienze precedenti

presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino emerge che la velocità di

rotazione del motore è di gran lunga la variabile che influenza di più tutte queste scelte.

Gli elevati regimi raggiunti dal motore Husqvarna avevano infatti obbligato il

posizionamento del marker ben 30° PPMI cioè soli 150°. Inoltre in quel prototipo

171

l’avviamento con sistema di iniezione diretta era impossibile forse proprio a causa di

questa variabilità dei parametri di iniezione.

VI.2: Visualizzazione parametri elettronici significativi

Il posizionamento del marker si effettua con l’ausilio dell’oscilloscopio

elettronico: si fa compiere qualche giro al motore, si acquisiscono i segnali di pick-up e

di marker e si calcola la posizione del marker sapendo che il pick-up è a 111° PPMS.

Figura VI.1 Visualizzazione sul display dell’oscilloscopio

172

Sull’oscilloscopio si hanno in contemporanea 4 segnali:

1. Segnale di marker

2. Segnale in uscita dalla prima centralina che andrà nella centralina Bosch di

accensione

3. Segnale di pick-up

4. Segnale di comando iniettore

Merita particolare attenzione il segnale che va a comandare la centralina Bosch

dell’accensione: infatti questo non può essere considerato il segnale della scintilla vera

e propria. Si deve tenere conto dei ritardi di notevole entità che possono essere

determinati col diagramma già visto.

Nella figura VI.1 si può vedere una schermata di funzionamento regolare in

condizioni di avviamento. A sinistra dall’alto si osserva : segnale di pick-up con la

forma caratteristica +/- 4 V circa, il segnale TTL +5 V del marker. Sempre a sinistra ma

in basso il segnale di comando dell’iniettore. Sulla destra del video il segnale

dell’accensione.

Si evince che tre segnali sono quasi in contemporanea mentre il comando della

centralina Bosch è decisamente più spostato.

L’oscilloscopio è in grado di acquisire su di un dischetto i dati in un formato

elaborabile con foglio di calcolo tipo Excel o simili. Eseguita questa operazione si

ottengono per ognuno dei quattro segnali due colonne di dati: il tempo ed il valore in

volt del segnale. Diagrammando questi valori si ha l’andamento dei segnali in funzione

del tempo.

Nota la velocità di rotazione del motore si possono avere i valori in funzione

dell’angolo di rotazione del motore. Si vedano in figura VI.2 il risultato della prima

elaborazione ed in figura VI.3 il risultato della seconda.

173

Figura VI.2 Andamento dei segnali in funzione del tempo

174

Figura VI.3 Andamento dei segnali in funzione dei gradi

175

VI.3: Condizioni reali di funzionamento e visualizzazione problemi

Nelle normali condizioni di funzionamento sul display dell’oscilloscopio si

vedono dei segnali del tipo in figura VI.4 che sono la successione temporale di quanto

appena visto.

Figura VI.4 Visualizzazione in condizioni di funzionamento regolare

Sempre con l’oscilloscopio è possibile visualizzare il problema ricorrente

dell’impianto di accensione. La vicinanza del cavo di alta tensione e della candela con

il resto dell’impianto determina infatti lo scoccare di 2 o anche più scintille per ciclo.

Questo problema è sempre in agguato da momento che è sufficiente muovere di pochi

centimetri il cavo di alta tensione che collega la bobina con la candela per vederlo

apparire o sparire. Si potrebbe probabilmente ovviare al problema adottando un cavo

schermato e posizionando in maniera opposta il pick-up in modo da allontanarlo il più

possibile dal cavo che va alla candela.

176

Le schermature realizzate sui vari cavi non sono state sufficienti per eliminare

definitivamente il problema ma almeno hanno permesso di determinare con esattezza il

componente sensibile al difetto e la sua localizzazione sul motore.

Figura VI.5 Problema della doppia scintilla

Nella videata visibile in figura VI.5 si vedono i due segnali più a destra che

determinano due scintille in quel ciclo. Questo è intollerabile dal momento che la

scintilla scorretta arriva in anticipo rispetto a quella corretta, durante la fase di iniezione

determinando quindi la combustione della carica quando questa sta ancora entrando

nella camera di combustione.

Anche l’apparato di iniezione non è esente da disturbi: di tanto in tanto si

presenta infatti il problema della presenza di due iniezioni per ciclo. Inoltre la

centralina che gestisce la tempistica dell’iniezione si resetta senza un motivo apparente.

177

E’ evidente che anche un minimo difetto in uno di questi strument i determina

l’impossibilità di avere una combustione regolare nel motore. Per proseguire nelle

prove è quindi opportuno intervenire radicalmente su queste parti per eliminare ogni

disturbo.

VI.4: Primi rilievi sperimentali

Per regolare il motore è necessario agire in contemporanea su 5 parametri:

1. Ritardo dell’inizio di iniezione

2. Durata dell’iniezione

3. Anticipo dell’accensione

4. Velocità del compressore Roots

5. Posizione della valvola a farfalla

Durante i primi tentativi di avviamento si è constatato che è necessario iniettare

una discreta quantità di benzina per evitare lo spegnimento mentre la variazione

dell’anticipo di iniezione non influisce significativamente sul funzionamento.

Sicuramente le regolazioni che rendono più critica la gestione sono quelle che

riguardano il compressore Roots, in particolare la velocità di rotazione del motore

elettrico che comanda il compressore mediante inverter. E’ infatti ridottissima la

gamma di velocità di rotazione che il motore accetta per l’avviamento. In più il sistema

di comando presenta una regolazione non progressiva, di conseguenza sarebbe

auspicabile un miglioramento di questo dispositivo per avere una maggior sensibilità.

E’ presente inoltre un evidente ritardo tra il momento in cui si interviene sul pomello di

regolazione della velocità e l’effettiva variazione.

178

Si potrebbe anche cercare di far funzionare il sistema di by-pass per far lavorare

il compressore ad un più elevato numero di giri ottenendo due importanti risultati in

contemporanea:

• Minore influenza delle pulsazioni tipiche di questi compressori

• Funzionamento in una zona di velocità dove il sistema di regolazione del

motore elettrico non presenta il fastidioso brusco salto di velocità

Le vibrazioni generate dal motore sono ad un livello accettabile e l’insieme del

banco è in grado di tollerarle agevolmente. Anche la rumorosità meccanica è contenuta

a testimoniare un corretto funzionamento degli organi meccanici interni.

Forti di questi primi risultati e noti i punti su cui agire per regolare il motore si è

cercato di stabilizzare il motore in un suo punto di funzionamento per eseguire una

prima sommaria rilevazione della potenza erogata, degli inquinanti emessi allo scarico

e del consumo di carburante.

Il ritardo di iniezione è stato fissato in 0,5 ms con una durata di iniezione di 2,2

ms. Il motore con questo tempo di apertura dell’iniettore non si avvia, di conseguenza

va fatto partire con 2,8 ms e poi si varia il valore. Scelto il regime di 800 giri/min dove

non compaiono fastidiose vibrazioni ed il motore gira regolare si adegua il freno.

Si è portato il motore ad operare quindi in una condizione di carico ridotto e si è

letto il valore indicato dalla bilancia del freno: la potenza erogata era di circa 0,64 kW.

L’anticipo di accensione corrispondeva a 12°. I 51,1 cm3 della buretta sono stati

consumati in 216,54 secondi. Il consumo specifico è quindi di circa 975 g/ kW ora.

Nella figura VI.6 sono riportati i valori degli inquinanti rilevati durante questa

prova.

179

Figura VI.6 Emissioni allo scarico

Il prototipo gira sicuramente più regolare al crescere del regime di rotazione ed

anche la potenza erogata sale rapidamente. Tuttavia emerge una sostanziale difficoltà

nella regolazione di questo motore.

L’intervento sulla valvola a farfalla è avvertibile nella prima parte di apertura

mentre successivamente non si percepiscono effetti. La velocità di rotazione del

compressore è quindi il parametro su cui agire per regolare il motore.

Si è tentato anche di agire sulla quantità iniettata per ridurre la concentrazione di

CO, tuttavia non è possibile scendere troppo con il tempo di apertura dell’iniettore per

l’evidente criticità di funzionamento in queste condizioni a causa della difficoltà di

regolazione. L’altro intervento che potrebbe sortire un effetto analogo, aumentare la

quantità di aria di lavaggio, è limitato da quanto appena visto circa la regolazione della

velocità del compressore. Le emissioni di HC sono invece accettabili per questo genere

di motore ad inizio della sperimentazione.

Risulta evidente il consumo di olio lubrificante; un primo intervento per ovviare

a questo problema potrebbe essere la realizzazione dei fori di canalizzazione del

lubrificante sotto il raschiaolio sullo stantuffo. L’olio cadrebbe così all’interno del

carter senza finire in camera di combustione e nei condotti di lavaggio. Tuttavia si

verrebbe a creare un passaggio diretto tra il carter e le luci di lavaggio col rischio che la

GAS VALORE

CO 2,6-2,7 %

CO2 6,3-6,4 %

HC 790-820 ppm

O2 6,4-6,6 %

180

depressione presente ne l carter favorisca l’arrivo dell’aria nello stesso. Sarebbe anche

possibile inserire un altro raschiaolio nella parte inferiore dello stantuffo ma anche

questa soluzione non è realizzabile facilmente vis to che non è fattibile la collocazione

del raschiaolio nella parte inferiore del mantello: questa zona infatti fuoriesce

abbondantemente dalla canna in corrispondenza del PMI.

VI.5: Confronto con le precedenti esperienze su motori a due tempi

Le prove effettuate sul motore non sono direttamente comparabili con gli altri

dati ricavati in precedenza sui motori a due tempi sperimentati. Tuttavia alcuni valori

possono essere confrontati anche in presenza di condizioni leggermente differenti.

Il confronto non può essere eseguito con il propulsore Husqvarna visti i regimi

di rotazione elevati che questo motore esige per funzionare. Appare invece adatto a

questo scopo il motore Benelli 1FB 1226: con questa unità infatti erano state eseguite

prove anche a soli 1500 giri/min e bassi carichi. Si riporta nella tabella VI.7 il

confronto tra i due motori, per il Benelli si considerano i valori ottenuti con

alimentazione ad iniezione diretta di benzina e quelli ad iniezione indiretta.

Figura VI.7 Confronto tra il prototipo in esame ed il motore Benelli 1FB 1226

Prototipo in esame Benelli GII Benelli GDI

Velocità di rotazione 800 giri/min 1500 giri/min 1500 giri/min

Potenza erogata 0,64 kW 0,81 kW 1,18 kW

Consumo specifico 975,647 g/kW ora 861,592 g/kW ora 619,091 g/kWora

CO 2,6-2,7 % 1,1 % 1,1 %

HC 790-820 ppm 3820 ppm 626 ppm

O2 6,4-6,6 % 7,30 % 7,3 %

181

Il regime di rotazione è differente, tuttavia noto l’andamento del consumo

specifico dalla letteratura si può ipotizzare al regime di 1500 giri/min un va lore in linea

con quanto rilevato col motore Benelli.

Il valore del CO evidenzia come la carburazione del prototipo fosse

esageratamente ricca durante le prove, con una fine messa a punto della durata di

iniezione questo valore potrebbe scendere.

Gli HC allo scarico sono comparabili con il Benelli alimentato ad iniezione

diretta: anche qui prove più approfondite consentirebbero di abbassare ulteriormente

questo valore. Da osservare che comunque anche in questa prima fase di sviluppo il

tenore di HC è già largamente inferiore al valore del Benelli nel caso di alimentazione

ad iniezione indiretta.

182

CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

Il lavoro di studio e realizzazione di questo prototipo è incominciato diversi

anni or sono e molti studenti tesisti si sono succeduti su questo progetto svolgendo

buona parte delle opere necessarie per il suo corretto funzionamento.

In questi ultimi mesi si è avuta la possibilità di avviare finalmente il prototipo. Il

lavoro ha riguardato principalmente l’installazione dell’impianto di iniezione

elettronica diretta della benzina che era l’ultima parte mancante di fondamentale

importanza. Si è resa inoltre necessaria tutta una serie di interventi più o meno evidenti

per consentire il regolare funzionamento del motore. Una buona parte dei componenti

del prototipo è stata realizzata espressamente per questa applicazione: essendo quindi

esemplari unici possono essere facilmente soggetti a guasti e rotture dovute all’assenza

di prove e sperimentazioni. Di conseguenza gli imprevisti di cui si è parlato nei capitoli

precedenti non sono mancati ed hanno ostacolato il lavoro. Ora però il motore funziona

con una certa regolarità ed è stato anche possibile eseguire alcune prove al banco. Le

sue componenti fondamentali sembrano essere correttamente dimensionate ed in grado

di sopportare le sperimentazioni future.

Si è avuta la conferma che il dispositivo di iniezione prodotto dalla Siemens

Automotive ed adottato dal Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino è

molto valido. Era già stato ampiamente utilizzato su altri motori ed anche in questa

applicazione ha mostrato tutti i suoi pregi uniti a qualche difetto. Si sono ripresentati i

limiti della centralina elettronica del sistema di gestione dell’iniezione: in futuro, se le

prove procederanno e dunque sarà giustificato, si potrebbe creare un sistema in grado di

operare con diverse configurazioni in modo da potersi adattare in tempo reale alle

condizioni di funzionamento del motore.

183

Si ritiene tuttavia che il primo elemento su cui intervenire per le prove future sia

il sistema del compressore Roots. Il componente appare infatti sovradimensionato per

questa applicazione e di conseguenza si dovranno operare interventi per farlo lavorare a

velocità molto bassa e regolabile con continuità oppure introdurre il sistema di by-pass

che è installato ma non viene per ora utilizzato per le difficoltà di messa a punto.

Un ultimo punto su cui sono necessari adattamenti per poter eseguire

correttamente le prove è l’eliminazione dei dis turbi che affliggono talvolta il sistema di

accensione e di iniezione. In certe condizioni si hanno infatti più scintille per giro unite

a più iniezioni per ciclo.

Allo stato attuale delle cose appare prematuro sperare in un’applicazione di

questo genere di motore per la trazione terrestre. Il motore a due tempi conosce infatti

un vero e proprio declino anche nei settori tradizionalmente di sua competenza, tuttavia

la ricerca deve proseguire anche in questo senso visti i risultati positivi ottenuti sino ad

ora. L’evoluzione della tecnica ci insegna che soluzioni scartate in un certo periodo

storico perché ritenute irrealizzabili e non convenienti sono poi state riscoperte in un

altro momento quando la tecnologia ne rendeva semplice, economica ed estremamente

vantaggiosa l’industrializzazione.

184

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